高温高频条件下镍基单晶合金超高周疲劳损伤机理研究

In this project, experiments will be conducted to determine the effects of temperature, load frequency, defects and oxidation on very high cycle fatigue (VHCF) behavior of nickel base single crystal DD6 for advanced aeroengine high-pressure turbine blades. The mechanism of crack initiation and early growth for VHCF at elevated temperatures, frequency dependence will be investigated. The cumulative response mechanism and degradation rule of the materials near the discontinuous interface such as casting porosity, surface oxidation and carbides under elevated temperature and high frequency fatigue load for long time are emphatically discussed. In order to reveal the control parameters of VHCF properties, the influence of defects on the high-temperature VHCF property will be emphasized. Finally, models for crack initiation, early growth and life prediction in VHCF regime will be proposed. This study is expected to establish theoretical basis of long life safety service of key components for advanced aeroengine.

本项目拟以先进航空发动机高压涡轮叶片用镍基单晶合金DD6为研究对象，拟从温度、频率、缺陷、氧化等因素对材料超高周疲劳行为影响规律的试验研究入手，对高温条件下材料超高周疲劳裂纹萌生和早期扩展机制以及频率效应进行深入的研究，重点探讨在高温高频疲劳载荷长时作用下铸造孔洞、表面氧化、碳化物等非连续界面附近材料的累积响应机理和退化规律，揭示缺陷调控对材料高温超高周疲劳性能的影响规律，建立基于缺陷和显微组织的疲劳裂纹萌生物理模型、裂纹早期扩展的力学模型和寿命预测模型，为先进航空发动机的长寿命安全服役夯实超高周疲劳方面的理论基础。

本项目以先进航空发动机涡轮叶片用镍基单晶高温合金DD6为研究对象，自主设计搭建高温合金超高周疲劳试样测试系统，在室温、760 ℃、850 ℃、1000 ℃和1100 ℃五个典型工作温度下系统开展高温超高周疲劳试验，获取DD6单晶合金的超高周疲劳性能，运用统计学理论分析疲劳性能的分布规律，绘制疲劳S-N曲线。结果显示，在典型工作温度下均存在超高周疲劳断裂现象，不存在传统意义上的高周疲劳极限，且10亿次寿命对应的条件疲劳极限远低于1千万寿命对应的条件疲劳极限，发动机涡轮叶片的疲劳设计应考虑超高周疲劳。.重点研究了DD6单晶合金在典型工作温度下的超高周疲劳裂纹萌生和扩展机制。当温度低于1000 ℃时，DD6单晶合金超高周疲劳裂纹萌生于试样内部单一铸造缺陷处，沿{111}晶体学平面扩展；当试验温度上升至1100 ℃，超高周疲劳裂纹自表面氧化裂纹处萌生，呈现多源萌生特征，裂纹沿垂直应力加载轴方向扩展。分析了内部缺陷、表面氧化、显微组织演变和再结晶对合金高温超高周疲劳萌生机制的影响，建立了超高周疲劳裂纹萌生竞争机制的物理模型。通过间歇加载的方法实现了内部裂纹扩展的“可视化”，并获得了不同温度下的疲劳裂纹扩展速率。发动机涡轮叶片用单晶合金超高周疲劳损伤的主要控制因素为内部铸造缺陷，对缺陷的工艺控制和精准描述是DD6单晶合金超高周疲劳设计的核心。.综合考虑缺陷、温度、弹性模量、滑移特征等因素，构建了疲劳损伤因子，建立了基于FIP的DD6单晶合金的超高周疲劳寿命预测模型，结果表明预测寿命分布在实际寿命的三倍线附近，超高周疲劳寿命效果良好。基于疲劳弧线反推了裂纹萌生寿命，结果表明99%以上的疲劳寿命消耗在裂纹萌生阶段。通过上述结果，已知DD6单晶合金缺陷分布的情况下，可预测不同温度和循环应力下的超高周疲劳寿命。