大型燃气轮机叶片镍基单晶材料的高温疲劳-蠕变性能研究

镍基单晶材料由于消除了晶界使得高温抗蠕变和疲劳性能大幅提高，被越来越多地用于大型燃气轮机叶片等关键热端部件。相比航空发动机，燃气轮机涡轮叶片尺寸更大，其疲劳和疲劳-蠕变引起的断裂故障严重影响燃气轮机的安全性和可靠性。这类材料的疲劳和疲劳-蠕变具有很强的晶体取向相关性，且表现出依赖于温度和载荷条件的断裂机制。本项目通过研究单晶材料在不同取向和温度区域的疲劳和疲劳-蠕变性能，给出其失效模式与温度和加载条件等的关系图，并基于微观观测得到各失效模式下对应的变形机制。在理论研究的基础上，提取与微结构演化和宏观力学响应密切相关的控制参数，建立考虑取向相关性的疲劳失效准则，进而考虑保载的影响得到蠕变-疲劳下的失效准则，为燃气轮机关键部件性能设计和安全评估提供技术手段和理论依据。进一步建立考虑疲劳-蠕变损伤的晶体塑性模型用于复杂温度场和载荷模式下的强度校核和损伤演化分析，为单晶叶片等复杂构件提供模拟工具。

本项目针对大型燃气轮机用单晶镍基高温合金材料进行疲劳-蠕变性能研究。完成了600oC和850oC低周疲劳实验，揭示了不同晶体取向（[001]、[011]和[111]）和不同温度对低周疲劳性能和断裂行为的影响。结果表明：循环应力应变响应和拉压不对称性均表现出很强的晶体取向和温度相关性；低周疲劳寿命按照[001]、[011]和[111]顺序降低，600oC疲劳性能总体上优于850oC。在600oC下疲劳断面微结构观测可见高密度位错，表现为晶体学破坏，而850oC时断裂表现出与取向无关的宏观I型断裂。基于观测到的不同疲劳断裂模式，建立了相应的具有取向相关性的疲劳失效准则，并给出了失效准则的适用区间，为燃气轮机涡轮叶片疲劳设计提供了高精度而实用的理论方法。.在SEM电镜下实时观测了镍基单晶材料小裂纹萌生和扩展性能。在不同的温度下，得到两种裂纹扩展模式：在室温和300oC下，由非晶体扩展模式主导，而在600oC高温下，表现为沿着晶体滑移系扩展的模式。裂纹扩展速率的计算表明，传统的Paris公式不能描述晶体学裂纹扩展的规律。可以借助有限元方法，构筑裂纹前端应力场，用计算每一个8面体滑移系上的剪切应力来模拟裂纹扩展速率和方向。研究表明，采用计算得到的最大剪切应力强度参数，能够描述小裂纹扩展特性。在这部分，还研究了定向凝固合金材料，以做为性能比较。.大型燃气轮机在服役中的启动和停车对高温部件构成不同于纯疲劳或纯蠕变的疲劳-蠕变交互作用的破坏和失效机制。在研究中采用了两种方法来预测单晶高温合金的疲劳-蠕变寿命，得到与实验结果较好的一致性。回滞环能量方法与材料的微结构变化相联系，疲劳-蠕变寿命可以从稳定阶段的代表性回滞曲线参数和每周的时间参数所构成的模型中得到。疲劳修正蠕变方法是种简化模型，所采用的正则应力和总应变范围、保持时间和温度有多段线性关系。