CN110032795B - 镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可靠性技术领域，提出一种镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法。该镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法包括建立镍基单晶合金的几何模型；确定镍基单晶合金的材料属性；确定几何模型的边界条件；将边界条件数和材料属性结合三维瞬态热‑力耦合理论代入几何模型得到镍基单晶合金的瞬态热应力；根据瞬态热应力结合损伤理论预测镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。经济成本较小，效率较高；实验简单，避免了复杂试验过程中的不确定性和人为因素导致的误差。可以适用晶体塑性框架下较多中形状的镍基单晶合金服役组件。
Description
技术领域
本发明涉及可靠性技术领域，尤其涉及一种镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法。
背景技术
镍基单晶高温合金广泛用于制造航空发动机涡轮叶片等热端部件，涡轮叶片周围的温度场会发生瞬时改变，导致叶片产生较大的瞬态温度梯度从而产生较大的瞬态热应力。瞬态热应力的循环作用会导致叶片热疲劳裂纹萌生，从而大大缩短发动机的使用寿命。
现有技术中镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法受人为因素影响较多、准确性较低且成本较高。
因此有必要提出一种新的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法。
所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中受人为因素影响，准确性较低，且成本较高的不足，提供一种受人为因素较少、准确性较高且成本较低的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法和镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测装置。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
根据本发明的一个方面，一种镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，包括：
建立所述镍基单晶合金的几何模型；
确定所述镍基单晶合金的材料属性；
确定所述几何模型的边界条件；
将所述边界条件和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力；
根据所述瞬态热应力结合损伤理论预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述几何模型的边界条件，包括：
估算镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的表面换热系数；
获得镍基单晶合金的表面温度场数据。
在本公开的一种示例性实施例中，估算镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的表面换热系数，包括：
采集镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的温度变化曲线；
根据所述温度变化曲线结合非线性估算法得到镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的表面换热系数。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述镍基单晶合金的材料属性，包括：
确定所述镍基单晶合金的热学参数以及力学参数；
根据所述热学参数以及所述力学参数结合率相关晶体塑性理论确定所述镍基单晶合金的材料属性。
在本公开的一种示例性实施例中，将所述边界条件和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力，包括：
根据所述表面换热系数以及所述热学参数得到瞬态温度梯度；
将所述瞬态温度梯度及所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力。
在本公开的一种示例性实施例中，所述力学参数包括弹性模量、泊松比和剪切模量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述热学参数包括热膨胀系数、比热容、热传导系数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述瞬态热应力包括瞬态分切应变和瞬态分切应力。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述瞬态热应力结合损伤理论预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命，包括：
根据所述瞬态分切应变和瞬态分切应力结合损伤理论得到所述镍基单晶合金的损伤分布；
根据所述损伤分布预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述损伤分布预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。包括：
根据最大损伤值演化规律和损伤分布得到镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：
本发明镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，建立镍基单晶合金的几何模型，以无内热源三维瞬态热-力耦合理论为基础，结合变温条件下晶体塑性理论得到镍基单晶合金瞬态热应力，带入损伤公式计算得到损伤分布和最大损伤随热循环的演化规律从而得到热疲劳裂纹萌生位置和寿命。相较于现有技术，一方面，只需要根据镍基单晶合金的材料属性，以及确定合理的边界条件，利用力学软件计算就能够得到任意形状材料的热疲劳裂纹萌生位置和寿命，经济成本较小，效率较高；实验简单，避免了复杂试验过程中的不确定性和人为因素导致的误差。另一方面，几何模型的建立可以根据不同的形状的镍基单晶合金服役组件建立，可以适用晶体塑性框架下较多中形状的镍基单晶合金服役组件。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是加热温度为1000℃，V型缺口平板试样热疲劳裂纹扩展趋势示意图；
图2是本发明镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法的简易流程图；
图3是将所述边界条件数和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
镍基单晶高温合金广泛用于制造航空发动机涡轮叶片等热端部件。在发动机服役过程中，航发热端部件往往需在高温、高载等及其苛刻的环境下长时间服役。尤其当飞机进行加减速等瞬时变载时，发动机燃烧室内燃烧不均匀，涡轮叶片周围的温度场会发生瞬时改变，导致叶片产生较大的瞬态温度梯度从而产生较大的瞬态热应力。瞬态热应力的循环作用会导致叶片热疲劳裂纹萌生，从而大大缩短发动机的使用寿命。尤其当前新型航空涡轮发动机的涡轮入口温度不断增加。涡轮叶片形式通常采用具有内部冷却通道的薄壁叶片，这导致了更大的温度梯度和热应力。通常情况下叶片的裂纹多产生在进排气孔边，呈多条细小的裂纹。
当前国内外对镍基单晶合金热疲劳行为的研究技术主要为试验观测。采取的试样形式多为简易的V型缺口平板试样，比较常用的方法是定性比较法，以主裂纹发展到某一长度的循环次数作为裂纹萌生寿命。但热疲劳试样本身瞬态温度梯度分布比较复杂，特别是镍基单晶具有力学性质各向异性，除了特殊设计的试样形式，热疲劳裂纹形核位置均具有不确定性。严苛的服役环境使得镍基单晶合金热疲劳试验环境比较复杂，试验过程比较繁琐，结果不可避免存在误差。因此，试验得到镍基单晶合金热疲劳裂纹的萌生寿命具有一定的局限性。
当前对镍基单晶合金热疲劳行为的研究技术主要为试验观测。试样内外温度梯度和产生的热应力应变均无法直接从试验过程中获得。在实际服役环境下直接采用成品镍基单晶合金叶片来进行试验耗费成本较高，因此当前采取的试样形式也多为简易的V型缺口平板试样，加热过程主要采取高温炉加热，冷却方式主要采用空气冷却、水冷和氮气冷却，这种方法人为因素较多,难以保证试验的准确性。镍基单晶合金实际服役环境及其严苛复杂，当前研究技术不利于直接使用于工程实际。
参照图1所示，为明确镍基单晶合金热疲劳裂纹长度随冷热循环次数的变化特性，首先进行了加热温度为1000℃的V型缺口平板试样热疲劳简易试验，加热和冷却方式分别为高温炉加热和水冷，缺口方向垂直于[001]，得到的热疲劳裂纹长度随冷热循环次数变化。进过三种试样对比以及闲逛文献，将热疲劳裂纹长度为0.1mm冷热循环次数作为热疲劳裂纹萌生寿命。可以看到热疲劳裂纹存在明显的萌生阶段，之后的扩展阶段为快速扩展阶段和减速扩展阶段。
基于上述缺点，本发明首先提供一种镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，参照图2所示，该镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法可以包括：
步骤S110，建立所述镍基单晶合金的几何模型。
步骤S120，确定所述几何模型的边界条件。
步骤S130，确定所述几何模型的材料属性。
步骤S140，将所述边界条件和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力。
步骤S150，根据所述瞬态热应力结合损伤理论预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
只需要根据镍基单晶合金的材料属性，以及确定合理的边界条件，利用力学软件计算就能够得到任意形状材料的热疲劳裂纹萌生位置和寿命，经济成本较小，效率较高；实验简单，避免了复杂试验过程中的不确定性和人为因素导致的误差。几何模型的建立可以根据不同的形状的镍基单晶合金服役组件建立，可以适用晶体塑性框架下较多中形状的镍基单晶合金服役组件。
以下对上述步骤进行详细说明。
在步骤S110中，建立所述镍基单晶合金的几何模型。
根据镍基单晶合金材料制成的试验件的形状建立几何模型，常用的试验件有材料为镍基单晶合金的涡轮叶片、涡轮盘等，确定镍基单晶合金材料制成的试验件的尺寸和形状，并利用软件建立试验件的等比例几何模型。
在步骤S120中，确定所述几何模型的边界条件。
参照图3所示，根据试样不同位置表面特性设计具有相应表面的简易形状试样(例如正方体试样)，采集试样表面和中心位置在相应热循环服役环境中的温度变化曲线，根据非线性估算法得到试样不同表面在相应热循环服役环境中随温度变化的表面换热系数。
边界条件为：
其中，n代表试样外表面的法向量，Tw表示试样表面瞬时温度场，T0表示初始温度场，H代表表面换热系数，λ表示传热系数。
在步骤S130中，确定所述几何模型的材料属性。
材料属性可以包括热学参数和力学参数，热学参数可以包括热膨胀系数、比热容、热传导系数等，力学参数可以包括镍基单晶合金弹性模量、泊松比和剪切模量等。
在步骤S140中，将所述边界条件和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力。
参照图3所示，步骤S140还可以包括以下步骤：
步骤S1410，根据所述表面换热系数以及所述热学参数得到瞬态温度梯度。
步骤S1420将所述瞬态温度梯度及所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力。
下面对上述步骤进行详细说明。
在步骤S1410中，根据所述表面换热系数以及所述热学参数得到瞬态温度梯度。
根据高温合金手册，镍基单晶合金近似传热各向同性，将查得不同温度下热参数赋予材料属性，其余温度采用插值法。然后确定内部传热的理论基础；理论基础如下：环境温度场变化导致试样温度分布不均，产生瞬态温度梯度，无内热源三维瞬态热传导方程如下：
其中，T代表瞬时温度场，ρ代表密度，C代表比热容，λ表示传热系数，t表示时间。
在步骤S1420将所述瞬态温度梯度以及所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力。
热膨胀系数、比热容、热传导系数等相关热参数输入常用力学软件的材料属性模块，其次将非线性估算法得到的表面换热系数赋予相关表面，再者，将镍基单晶合金弹性模量、泊松比和剪切模量等相关力学参数和晶体弹塑性行为准则采用晶体塑性理论与损伤理论一起编成UMAT子程序进行计算。
三维瞬态热-力耦合理论如下所示：
总应变由三部分组成，分别为热应变、弹性应变和塑性应变：
ε＝εe+εp+εth
其中，εp表示塑性应变，εth表示热应变，εe表示弹性应变。
热应变满足如下方程：
εth＝α(T-T0)
其中，α表示热膨胀系数。弹塑性应力-应变满足如下公式：
σ＝Cep(ε-εth)
其中，σ表示应力，Cep表示弹塑性系数矩阵，对于镍基单晶高温合金，弹性条件下：
在本示例实施方式中，将镍基单晶合金弹塑性力学参数及失效准则根据变温条件下的率相关晶体塑性理论编写UMAT子程序。瞬时变温条件下镍基单晶合金应变和分切应变满足如下公式：
其中，
为Schmid系数，其值由开动的滑移系决定。镍基单晶合金在900℃以下瞬时拉伸试验表明其开动的滑移系主要为八面体滑移系。根据率相关晶体塑性理论可得：
其中，
为参考剪切率，
为分切应变率，
为参考剪切应力，τ(α)为分切应力，m为应变率敏感指数。变温条件下：
其中，qαβ为潜硬化系数，h0为硬化模量，τs和p为模型参数，τ0为关于温度T的方程，为固定参数，S0为相应温度下的初始临界分切应力。
在S150，根据所述瞬态热应力结合损伤理论预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
将损伤理论编入上述步骤UMAT子程序，最终计算得到试样损伤分布，根据最大损伤值演化规律和位置得到热疲劳裂纹萌生寿命和位置。使用的损伤方程如下：
其中，T表示温度，R和Qc为材料参数。mfoct在450℃以上为T/100(在此T为温度数值)，在450℃以下为4.5。nfoct的值基于高中低温低周疲劳试验获得，其他温度采用插值法。Sfoct和
均基于试验获得，分别为2.5S0和10，S0为相应温度下的初始临界分切应力，具体数值根据Schmid定律由下式拟合得到：
S0＝A2+(A1-A2)/[1+(T/T0)n]
其中，A1、A2、T0与n均为常量。
最后根据损伤来确定镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
镍基单晶合金力学性质各向异性使得其热疲劳裂纹萌生的位置具有不可预测性，本发明可以通过应力和损伤分布直观得到危险点的位置和应力大小。
上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。
本说明书中，用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。
Claims (8)
1.一种镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，包括：
建立所述镍基单晶合金的几何模型；
确定所述镍基单晶合金的材料属性；
确定所述几何模型的边界条件；估算镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的表面换热系数；获得镍基单晶合金的表面温度场数据；根据试样不同位置表面特性设计具有相应表面的简易形状试样，所述试样是基于镍基单晶合金材料制成的；采集镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的温度变化曲线；根据所述温度变化曲线结合非线性估算法得到镍基单晶合金不同位置表面在相应热循环服役环境中的表面换热系数；
将所述边界条件和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力；
根据所述瞬态热应力结合损伤理论预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
2.根据权利要求1所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，确定所述镍基单晶合金的材料属性，包括：
确定所述镍基单晶合金的热学参数以及力学参数；
根据所述热学参数以及所述力学参数结合率相关晶体塑性理论确定所述镍基单晶合金的材料属性。
3.根据权利要求2所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，将所述边界条件和所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力，包括：
根据所述表面换热系数以及所述热学参数得到瞬态温度梯度；
将所述瞬态温度梯度及所述材料属性结合三维瞬态热-力耦合理论代入所述几何模型得到所述镍基单晶合金的瞬态热应力。
4.根据权利要求2所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，所述力学参数包括弹性模量、泊松比和剪切模量。
5.根据权利要求2所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，所述热学参数包括热膨胀系数、比热容、热传导系数。
6.根据权利要求1所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，所述瞬态热应力包括瞬态分切应变和瞬态分切应力。
7.根据权利要求6所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，根据所述瞬态热应力结合损伤理论预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命，包括：
根据所述瞬态分切应变和瞬态分切应力结合损伤理论得到所述镍基单晶合金的损伤分布；
根据所述损伤分布预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
8.根据权利要求7所述的镍基单晶合金热疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，根据所述损伤分布预测所述镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命，包括：
根据最大损伤值演化规律和损伤分布得到镍基单晶合金的热疲劳裂纹萌生寿命。
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