镍基单晶合金超长寿命服役下蠕变损伤机理及寿命模型研究

As the key components of the aero-engine, nickel-based single crystal turbine blade determines the development level of aero-engine to some extent. However, the recorded performance life of nickel-based single crystal alloy is limited in 2000 hours, makes it difficult to evaluate the life of the blade design above 15000 hours. Targeting the working state of nickel-based single crystal turbine blades in aviation engine, creep test of nickel-based single crystal alloy DD6 under a ultra-long service life will be done in our research in order to study the macro performance and microstructure evolution mechanism in creep damage process, especially focus on the raft process of γ′ phase, element redistribution and dislocation mechanism. We will combine the experimental results and finite element analysis results to refine the microscopic characteristic and its quantitative description of damage in the ultra-long life creep process, meanwhile to establish the constitutive model and life model of creep process of the nickel-based super alloy and complete the development of the finite element program. Our project is to expand the creep theory of ultra-long life service of nickel-based single crystal alloy, provide theoretical basis to the design of single crystal turbine blades in civil aviation engine, with scientific significance and practical applications.

镍基单晶涡轮叶片作为发动机的关键核心部件，在一定程度上，决定了航空发动机的发展水平。然而，目前我国关于镍基单晶合金材料性能的数据都限于2000小时之内，无法评估15000小时以上设计寿命叶片的性能。本项目针对民航发动机镍基单晶涡轮叶片及其工作状态，进行镍基单晶合金DD6在超长寿命服役下的蠕变试验，研究其蠕变损伤过程的宏观性能和细微观组织结构的演化机理，重点研究γ′相的筏化过程、元素重新分配、位错机制等。结合试验和数值模拟，提炼出超长寿命蠕变损伤过程中的细微观特征量及其定量描述，建立镍基单晶合金超长寿命蠕变损伤的本构模型和寿命模型，完成相应的有限元程序开发。本项目研究将丰富超长寿命服役下镍基单晶合金的蠕变理论，为民用航空发动机单晶涡轮叶片设计提供理论基础，具有重要的科学意义和实际应用价值。

镍基单晶涡轮叶片作为航空发动机的关键核心部位,在一定程度上决定了发动机的水平。本项目开展了长达15000小时的蠕变试验，获得了超长寿命服役下镍基单晶合金的蠕变行为，确定了蠕变曲线，得到了在不同温度/载荷条件下蠕变过程中的蠕变速率随时间的变化规律，获得了温度对蠕变行为的影响。通过对长时蠕变试验的初始试样及不同寿命阶段的试样进行了细微观组织结构的演化分析，包括：单晶合金材料在蠕变损伤中γ′相的筏化过程、位错运动、元素重新分配、滑移、TCP相的形成等，获得了超长寿命蠕变损伤过程中细微观组织结构的演化规律。采用分子动力学、单胞模型等数值分析手段对细微观组织结构演化进行模拟计算，结合试验研究，揭示了单晶合金材料损伤失效的细微观机理。基于蠕变试验和细微观组织结构演化过程中的控制因素及演化规律，提炼关键特征量，建立了特征量和宏观性能之间的关系，从而建立了超长服役下镍基单晶合金蠕变本构模型和寿命模型。