CN110344888A - 一种镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法 - Google Patents

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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气膜孔构件裂纹启裂判定方法，包括：获取所述镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力；若所述局部应力大于局部应力阈值，则判定所述镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂；其中，所述局部应力阈值的确定方法包括：确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量；根据所述驻留滑移带参量、所述端部应力以及预设关系式确定所述局部应力阈值。本公开能够提高裂纹启裂判定的准确性。

Description

一种镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法
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气膜孔构件裂纹启裂判定方法。
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。随着发动机高流量比、推重比不断提高的需求，涡轮进口燃气温度不断提高。为了提高冷却效率，常常在涡轮叶片上设置气膜孔以形成镍基单晶气膜孔构件。
在现有的镍基单晶合金气膜孔构件的工程设计中，通常以端部应力作为裂纹启裂判据。然而，实际的气膜孔排布形式及间距分布复杂，气膜孔间还存在多孔干涉作用，裂纹通常在很小的端部应力作用下就已经启裂，导致通过端部应力难以准确地判定裂纹启裂。
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气膜孔构件裂纹启裂判定方法，能够提高裂纹启裂判定的准确性。
根据本公开的一个方面，提供一种镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，包括：
获取所述镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力；
若所述局部应力大于局部应力阈值，则判定所述镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂；
其中，所述局部应力阈值的确定方法包括：
确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量；
根据所述驻留滑移带参量、所述端部应力以及预设关系式确定所述局部应力阈值。
在本公开的一种示例性实施例中，所述驻留滑移带参量为驻留滑移带长度。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预设关系式为：
其中，σ为所述局部应力阈值，σ0为所述端部应力，R为所述气膜孔的半径，L为所述驻留滑移带长度，θ为滑移平面与预设平面的夹角，r为所述驻留滑移带远离所述气膜孔的一端在所述预设平面上的投影和所述气膜孔的中心的距离，所述预设平面垂直于所述端部应力，且通过所述气膜孔的中心。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力包括：
向所述镍基单晶合金气膜孔构件施加端部载荷，所述端部载荷线性增加；
确定所述镍基单晶合金气膜孔构件发生裂纹启裂时所对应的端部载荷，并作为端部应力。
在本公开的一种示例性实施例中，在向所述镍基单晶合金气膜孔构件施加端部载荷前包括：
对所述镍基单晶气膜孔构件进行表面光滑预处理。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量包括：
在预设温度下确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述预设温度为26℃、760℃、980℃或1100℃。
在本公开的一种示例性实施例中，所述镍基单晶合金气膜孔构件的晶体取向为[001]、[011]或[111]。
在本公开的一种示例性实施例中，确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量包括：
在高温环境下采用惰性气体保护确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。
在本公开的一种示例性实施例中，所述惰性气体为氮气。
本公开的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，在镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力大于局部应力阈值时，判定镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂。由于本公开通过局部应力判定裂纹启裂，准确性高；同时，所采取得局部应力阈值是根据驻留滑移带参量、端部应力以及预设关系式确定，进一步提高了裂纹启裂判定的准确性。
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气膜孔构件裂纹启裂判定方法的流程图；
图2为本公开实施方式的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法中局部应力阈值的确定方法的流程图；
图3为本公开实施方式中具有滑移迹线的镍基单晶气膜孔构件的示意图；
图4为本公开实施方式中具有驻留滑移带的镍基单晶气膜孔构件的示意图；
图5为本公开实施方式中的镍基单晶气膜孔构件的示意图。
图中：1、滑移迹线；2、驻留滑移带；3、镍基单晶气膜孔构件；4、气膜孔；5、预设平面。
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”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。
航空发动机镍基单晶涡轮叶片大多采用气膜孔冷却技术。然而，气膜孔的存在产生了应力集中，在孔周形成了多轴高应力、高应变场，并且由于密布排列产生的多孔干涉作用，以致孔周局部区域的晶体滑移、塑性变形、损伤重新分布，使得气膜孔周已成为裂纹启裂的多发部位。镍基单晶涡轮叶片在服役过程中一旦裂纹启裂，随后必然断裂失效，这将会造成严重的工程事故。与其他多晶合金不同，镍基单晶涡轮叶片中裂纹萌生后，由于其准解理断裂特性将会迅速断裂。
本公开实施方式提供一种镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法。如图1所示，该镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法可以包括步骤S110和步骤S120，其中：
步骤S110、获取镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力。
步骤S120、若局部应力大于局部应力阈值，则判定镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂。
其中，如图2所示，局部应力阈值的确定方法包括：
步骤A110、确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量；
步骤A120、根据驻留滑移带参量、端部应力以及预设关系式确定局部应力阈值。
本公开实施方式的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，在镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力大于局部应力阈值时，判定镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂。由于本公开通过局部应力判定裂纹启裂，准确性高；同时，所采取得局部应力阈值是根据驻留滑移带参量、端部应力以及预设关系式确定，进一步提高了裂纹启裂判定的准确性。
下面对本公开实施方式的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法的各部分进行详细说明：
如图3和图4所示，镍基单晶具有面心立方结构，在屈服载荷作用下镍基单晶合金气膜孔构件3会产生滑移变形，以滑移迹线1的形式显露在表面，并且随着载荷的继续增大，滑移变形不断累积，会逐步形成驻留滑移带2。
在步骤S110中，获取镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力。
该端部应力为施加在镍基单晶气膜孔构件端部的载荷。该局部应力为镍基单晶气膜孔构件的局部区域内任意一点受到的总应力。其中，该局部区域以气膜孔为中心，且局部区域的外围边界距离气膜孔的孔边的距离等于气膜孔的直径。本公开以气膜孔的孔边受到的总应力作为局部应力。本公开实施方式对气膜孔的尺寸不做特殊限定。
在步骤S120中，若局部应力大于局部应力阈值，则判定镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂。
将步骤S110中所获取的镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力与局部应力阈值进行比较，若局部应力大于局部应力阈值，则判定该镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂。在本公开其它实施方式中，若局部应力小于局部应力阈值，则可以判定该镍基单晶气膜孔构件未发生裂纹启裂。
对于局部应力阈值的确定方法，在步骤A110中，确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。
该驻留滑移带参量可以为驻留滑移带长度，其可以采用三维轮廓测量技术确定。确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力可以包括：向镍基单晶合金气膜孔构件施加端部载荷，该端部载荷线性增加；确定镍基单晶合金气膜孔构件发生裂纹启裂时所对应的端部载荷，并作为端部应力。该端部载荷的初始值可以等于镍基单晶气膜孔构件出现驻留滑移带时所受到的应力。以σp0表示端部载荷的初始值，并在该初始值的基础上线性增加，且每次增加Δσp。其中，Δσp可以根据镍基单晶气膜孔构件的屈服强度和断裂强度确定。此外，在向所述镍基单晶合金气膜孔构件施加端部载荷前可以对镍基单晶气膜孔构件进行表面光滑预处理，可以方便后续驻留滑移带的测量。
在一实施方式中，确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量可以包括：在预设温度下确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。该预设温度可以为26℃、760℃、980℃或1100℃，但本公开不以此为限。此外，该镍基单晶合金气膜孔构件的晶体取向可为[001]、[011]或[111]，但本公开实施方式对此不做特殊限定。
在本公开其它实施方式中，确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量包可以括：在惰性气体的氛围下确定镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。其中，该惰性气体为氮气，但本公开实施方式不以此为限。
在步骤A120中，根据驻留滑移带参量、端部应力以及预设关系式确定所述局部应力阈值。
该驻留滑移带参量为上述的驻留滑移带长度。该预设关系式可以为：
其中，如图5所示，本公开将镍基单晶气膜孔构件3简化为一具有气膜孔4的平板模型，σ为局部应力阈值，σ0为端部应力，R为气膜孔4的半径，L为驻留滑移带2的长度，θ为滑移平面与预设平面5的夹角，r为驻留滑移带2远离气膜孔4的一端在预设平面5上的投影和气膜孔4的中心O的距离，该预设平面5垂直于端部应力σ0，且通过气膜孔4的中心O。
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)

1.一种镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，包括：
获取所述镍基单晶合金气膜孔构件的局部应力；
若所述局部应力大于局部应力阈值，则判定所述镍基单晶气膜孔构件发生裂纹启裂；
其中，所述局部应力阈值的确定方法包括：
确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量；
根据所述驻留滑移带参量、所述端部应力以及预设关系式确定所述局部应力阈值。
2.根据权利要求1所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，所述驻留滑移带参量为驻留滑移带长度。
3.根据权利要求2所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，所述预设关系式为：
其中，σ为所述局部应力阈值，σ0为所述端部应力，R为所述气膜孔的半径，L为所述驻留滑移带长度，θ为滑移平面与预设平面的夹角，r为所述驻留滑移带远离所述气膜孔的一端在所述预设平面上的投影和所述气膜孔的中心的距离，所述预设平面垂直于所述端部应力，且通过所述气膜孔的中心。
4.根据权利要求1所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力包括：
向所述镍基单晶合金气膜孔构件施加端部载荷，所述端部载荷线性增加；
确定所述镍基单晶合金气膜孔构件发生裂纹启裂时所对应的端部载荷，并作为端部应力。
5.根据权利要求4所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，在向所述镍基单晶合金气膜孔构件施加端部载荷前包括：
对所述镍基单晶气膜孔构件进行表面光滑预处理。
6.根据权利要求1所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量包括：
在预设温度下确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。
7.根据权利要求6所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，所述预设温度为26℃、760℃、980℃或1100℃。
8.根据权利要求6所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，所述镍基单晶合金气膜孔构件的晶体取向为[001]、[011]或[111]。
9.根据权利要求1所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量包括：
在高温环境下采用惰性气体保护确定所述镍基单晶合金气膜孔构件在发生裂纹启裂时的端部应力和驻留滑移带参量。
10.根据权利要求9所述的镍基单晶气膜孔构件裂纹启裂判定方法，其特征在于，所述惰性气体为氮气。
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