CN110232223B - 镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法 - Google Patents

镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及涡轮叶片技术领域，提供了一种镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，包括：确定所述镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，所述微观单胞包括基体相和沉淀相，所述基体相和所述沉淀相具有界面；建立空间坐标系，并对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析，以确定所述微观单胞在蠕变过程中的内部应力；根据所述内部应力确定所述基体相的驱动力；根据所述内部应力确定所述沉淀相的驱动力；根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型。本公开能够提高预测效率。

Description

镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法
技术领域
本公开涉及涡轮叶片技术领域，尤其涉及一种镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法。
背景技术
航空发动机涡轮叶片对材料的高温综合性能要求越来越高，镍基单晶高温合金具有硬度大、熔点高的特点，因而被广泛应用于航空发动机。
在现有技术中，常常通过试验来预测镍基单晶高温合金微结构的筏化类型。然而，试验过程繁琐，导致预测效率极低。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此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
本公开的目的在于提供一种镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，能够提高预测效率。
根据本公开的一个方面，提供一种镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，包括：
确定所述镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，所述微观单胞包括基体相和沉淀相，所述基体相和所述沉淀相具有界面；
建立空间坐标系，并对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析，以确定所述微观单胞在蠕变过程中的内部应力；
根据所述内部应力确定所述基体相的驱动力；
根据所述内部应力确定所述沉淀相的驱动力；
根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述内部应力确定所述基体相的驱动力包括：
根据所述内部应力确定所述界面的位错能密度；
根据所述位错能密度确定所述基体相的驱动力。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述位错能密度确定所述基体相的驱动力包括：
根据第一关系式和所述位错能密度确定所述基体相的驱动力，所述第一关系式为：
Figure BDA0002072958340000021
其中，i和j代表所述空间坐标系不同的坐标轴，所述坐标轴包括x轴、y轴以及z轴，
Figure BDA0002072958340000022
代表垂直于i轴的所述界面的位错能密度，
Figure BDA0002072958340000023
代表垂直于j轴的所述界面的位错能密度，
Figure BDA0002072958340000024
代表所述基体相的驱动力。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述内部应力确定所述沉淀相的驱动力包括：
根据所述内部应力确定所述微观单胞的弹性应变能密度；
根据所述弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力包括：
根据第二关系式和所述弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力，所述第二关系式为：
Figure BDA0002072958340000025
其中，n代表所述界面的法线方向，n等于x、y或z，代表所述法线方向为x轴方向、y轴方向或z轴方向，W代表所述微观单胞的弹性应变能密度，σn代表所述界面在所述法线方向上受到的正应力，
Figure BDA0002072958340000026
代表所述界面沿所述法线方向的位移梯度，
Figure BDA0002072958340000027
代表所述沉淀相的驱动力。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型包括：
在
Figure BDA0002072958340000028
大于0、
Figure BDA0002072958340000029
大于0、
Figure BDA00020729583400000210
等于0、
Figure BDA00020729583400000211
大于0、
Figure BDA00020729583400000212
小于0以及
Figure BDA00020729583400000213
等于
Figure BDA0002072958340000031
时，确定所述筏化类型为双轴筏结构。
在本公开的一种示例性实施例中，根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型包括：
在
Figure BDA0002072958340000032
小于0、
Figure BDA0002072958340000033
小于0、
Figure BDA0002072958340000034
等于0、
Figure BDA0002072958340000035
小于0、
Figure BDA0002072958340000036
大于0以及
Figure BDA0002072958340000037
等于
Figure BDA0002072958340000038
时，确定所述筏化类型为单轴筏结构。
在本公开的一种示例性实施例中，所述沉淀相的体积分数为65％-70％。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析包括：
在模拟温度为970-990℃下对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析包括：
在拉伸载荷为250-260MPa下对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析。
本公开的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，建立镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，并确定该微观单胞中基体相的驱动力以及沉淀相的驱动力，且根据基体相的驱动力和沉淀相的驱动力确定筏化类型，无需进行试验，提高了预测效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图来详细描述其示例性实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施方式的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法的流程图；
图2为本公开实施方式的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法中微观单胞的示意图。
图中：1、微观单胞；11、基体相；12、沉淀相。
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范例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。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。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开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等。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。用语“一”和“该”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”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。
本公开实施方式提供一种镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法。如图1所示，该预测方法可以包括步骤S110至步骤S150，其中：
步骤S110、确定镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，微观单胞包括基体相和沉淀相，基体相和沉淀相具有界面。
步骤S120、建立空间坐标系，并对微观单胞的几何模型进行有限元分析，以确定微观单胞在蠕变过程中的内部应力。
步骤S130、根据内部应力确定基体相的驱动力。
步骤S140、根据内部应力确定沉淀相的驱动力。
步骤S150、根据基体相的驱动力以及沉淀相的驱动力确定筏化类型。
本公开实施方式的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，建立镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，并确定该微观单胞中基体相的驱动力以及沉淀相的驱动力，且根据基体相的驱动力和沉淀相的驱动力确定筏化类型，无需进行试验，提高了预测效率。
下面对本公开实施方式的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法的各步骤进行详细说明：
在步骤S110中，确定镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，微观单胞包括基体相和沉淀相，基体相和沉淀相具有界面。
如图2所示，该微观单胞1包括基体相11和沉淀相12。该沉淀相12的体积分数可以为65％-70％，例如65％、66％、67％、68％、69％、70％等。此外，该镍基单晶高温合金具有[100]、[010]、[001]取向。微观单胞1几何模型的建立解决了宏观角度的模拟不能根据两相界面能量演变的微观演化机理来预测筏化的问题，该微观单胞1几何模型能够更加合理地预测筏化的方向和类型。
在步骤S120中，建立空间坐标系，并对微观单胞的几何模型进行有限元分析，以确定微观单胞在蠕变过程中的内部应力。
本公开实施方式可以在模拟温度下对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析。该模拟温度可以为970-990℃，例如970℃、975℃、980℃、982℃、990℃等。在本公开其它实施方式中，该模拟温度还可以为其它值，在此不再详述。在有限元分析过程中还可以向该微观单胞的几何模型施加拉伸载荷。该拉伸载荷可以为250-260MPa，例如250MPa、253MPa、255MPa、258MPa、260MPa等。在本公开其它实施方式中，该拉伸载荷还可以为其它值，在此不再详述。该拉伸载荷可以沿[001]取向施加。此外，该有限元分析过程中所用的蠕变本构方程可以为：
Figure BDA0002072958340000051
其中，α为滑移系，
Figure BDA0002072958340000052
为初始损伤率，
Figure BDA0002072958340000053
为累计损伤率，
Figure BDA0002072958340000054
为蠕变剪切应变率，
Figure BDA0002072958340000055
为稳态蠕变率，τc为临界分切应力，τ(α)为滑移系分切应力，χ和φ为与温度相关的参数，β为常数，例如可以为2.5。在本公开其它实施方式中，有限元分析的对象可以为微观单胞模型的八分之一。
在步骤S130中，根据内部应力确定基体相的驱动力。
举例而言，步骤S130可以包括：根据内部应力确定界面的位错能密度；根据位错能密度确定基体相的驱动力。其中，根据位错能密度确定基体相的驱动力可以包括：根据第一关系式和位错能密度确定基体相的驱动力，第一关系式可以为：
Figure BDA0002072958340000061
其中，i和j代表空间坐标系不同的坐标轴，坐标轴包括x轴、y轴以及z轴；
Figure BDA0002072958340000062
代表垂直于i轴的界面的位错能密度；
Figure BDA0002072958340000063
代表垂直于j轴的界面的位错能密度；
Figure BDA0002072958340000064
代表基体相的驱动力。
在步骤S140中，根据内部应力确定沉淀相的驱动力。
举例而言，步骤S140可以包括：根据内部应力确定微观单胞的弹性应变能密度；根据弹性应变能密度确定沉淀相的驱动力。其中，根据弹性应变能密度确定沉淀相的驱动力包括：根据第二关系式和弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力，该第二关系式可以为：
Figure BDA0002072958340000065
其中，n代表界面的法线方向，n可以等于x，代表法线方向为x轴方向；n也可以等于y，代表法线方向为y轴方向；n还可以等于z，代表法线方向为z轴方向；W代表微观单胞的弹性应变能密度；σn代表界面在法线方向上受到的正应力；
Figure BDA0002072958340000066
代表界面沿法线方向的位移梯度；
Figure BDA0002072958340000067
代表沉淀相的驱动力。
在步骤S150中，根据基体相的驱动力以及沉淀相的驱动力确定筏化类型。
通过基体相的驱动力以及沉淀相的驱动力确定筏化类型，符合形成筏化的根本力学机理，可以更加准确的预测筏化的方向与类型。其中，在
Figure BDA0002072958340000068
大于0、
Figure BDA0002072958340000069
大于0、
Figure BDA00020729583400000610
等于0、
Figure BDA00020729583400000611
大于0、
Figure BDA00020729583400000612
小于0以及
Figure BDA00020729583400000613
等于
Figure BDA00020729583400000614
时，确定镍基单晶高温合金微结构筏化类型为双轴筏结构，即N型筏化，该双轴筏结构垂直于应力轴方向；在
Figure BDA00020729583400000615
小于0、
Figure BDA00020729583400000616
小于0、
Figure BDA00020729583400000617
等于0、
Figure BDA00020729583400000618
小于0、
Figure BDA00020729583400000619
大于0以及
Figure BDA00020729583400000620
等于
Figure BDA00020729583400000621
时，确定镍基单晶高温合金微结构筏化类型为单轴筏结构，即P型筏化，该单轴筏结构平行于应力轴方向。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，包括：
确定所述镍基单晶高温合金的微观单胞的几何模型，所述微观单胞包括基体相和沉淀相，所述基体相和所述沉淀相具有界面；
建立空间坐标系，并对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析，以确定所述微观单胞在蠕变过程中的内部应力；
根据所述内部应力确定所述基体相的驱动力；
根据所述内部应力确定所述沉淀相的驱动力；
根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型。
2.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，根据所述内部应力确定所述基体相的驱动力包括：
根据所述内部应力确定所述界面的位错能密度；
根据所述位错能密度确定所述基体相的驱动力。
3.根据权利要求2所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，根据所述位错能密度确定所述基体相的驱动力包括：
根据第一关系式和所述位错能密度确定所述基体相的驱动力，所述第一关系式为：
Figure FDA0002072958330000011
其中，i和j代表所述空间坐标系不同的坐标轴，所述坐标轴包括x轴、y轴以及z轴，
Figure FDA0002072958330000012
代表垂直于i轴的所述界面的位错能密度，
Figure FDA0002072958330000013
代表垂直于j轴的所述界面的位错能密度，
Figure FDA0002072958330000014
代表所述基体相的驱动力。
4.根据权利要求3所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，根据所述内部应力确定所述沉淀相的驱动力包括：
根据所述内部应力确定所述微观单胞的弹性应变能密度；
根据所述弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力。
5.根据权利要求4所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，根据所述弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力包括：
根据第二关系式和所述弹性应变能密度确定所述沉淀相的驱动力，所述第二关系式为：
Figure FDA0002072958330000021
其中，n代表所述界面的法线方向，n等于x、y或z，代表所述法线方向为x轴方向、y轴方向或z轴方向，W代表所述微观单胞的弹性应变能密度，σn代表所述界面在所述法线方向上受到的正应力，
Figure FDA0002072958330000022
代表所述界面沿所述法线方向的位移梯度，
Figure FDA0002072958330000023
代表所述沉淀相的驱动力。
6.根据权利要求5所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型包括：
在
Figure FDA0002072958330000024
大于0、
Figure FDA0002072958330000025
大于0、
Figure FDA0002072958330000026
等于0、
Figure FDA0002072958330000027
大于0、
Figure FDA0002072958330000028
小于0以及
Figure FDA0002072958330000029
等于
Figure FDA00020729583300000210
时，确定所述筏化类型为双轴筏结构。
7.根据权利要求5所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，根据所述基体相的驱动力以及所述沉淀相的驱动力确定所述筏化类型包括：
在
Figure FDA00020729583300000211
小于0、
Figure FDA00020729583300000212
小于0、
Figure FDA00020729583300000213
等于0、
Figure FDA00020729583300000214
小于0、
Figure FDA00020729583300000215
大于0以及
Figure FDA00020729583300000216
等于
Figure FDA00020729583300000217
时，确定所述筏化类型为单轴筏结构。
8.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，所述沉淀相的体积分数为65％-70％。
9.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析包括：
在模拟温度为970-990℃下对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析。
10.根据权利要求1所述的镍基单晶高温合金微结构筏化类型的预测方法，其特征在于，对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析包括：
在拉伸载荷为250-260MPa下对所述微观单胞的几何模型进行有限元分析。
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