气膜孔对镍基单晶DD6合金蠕变及冷却特性影响研究
发布时间：2021-06-08 20:25
镍基单晶高温合金基于它良好的高温强度、抗蠕变性和抗氧化能力而成为航空发动机涡轮叶片的首选材料。在涡轮叶片上设计大量的气膜孔可以有效提高叶片冷却效率,从而降低叶片壁面温度,但气膜孔的存在又会对涡轮叶片的疲劳强度和使用寿命造成一定的影响。因此,针对气膜孔对镍基单晶合金蠕变性能以及气膜冷却特性的影响的研究具有十分重要的意义。本文以镍基单晶高温合金DD6为研究对象。首先以纳米尺度作为单位,通过有限元分析技术分别研究了拉/压蠕变条件下立方γ’相的微观演化过程;然后通过高温拉伸蠕变试验对带气膜孔和不带气膜孔平板试样断裂后的微观组织和断口形貌进行了对比分析,探讨了气膜孔对平板试样蠕变特性的影响;最后以激光加工气膜孔过程中产生的边倒圆型孔为对象,对不同吹风比下边倒圆型孔气膜冷却特性进行了研究分析。有限元分析表明,[001]取向单晶晶胞在高温拉/压蠕变期间,在晶面主应力分量的作用下,立方γ’相不同晶面会发生晶格收缩或扩张。晶格的变化会对Al、Ti等原子产生排斥或吸附作用,并促使γ’相沿晶格扩张法线方向定向生长,最终形成N-型或P-型定向粗化。高温拉伸蠕变试验表明,气膜孔对单晶合金DD6平板试样的蠕变性能...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
析出相γ’在三维空间中的排布方式示意图
7变速率减小将减缓宏观应变量；同时合金的应变速率与外加应力密切相关，外加应力越大，应变速率越快。张姝[34]通过基于唯象连续介质理论对蠕变过程中不同取向的单晶合金组织演化特征进行了研究，结果发现在合金各晶面主应力分量作用下，γ’相不同取向的晶面发生不同程度的晶格扩张及收缩，通过诱捕或排斥合金中的各组成元素促使γ’相沿特定取向转变，最终形成筏状结构。1.2.4气膜孔对叶片冷却特性的影响气膜孔冷却也被称为涡轮外环气膜冷却，它通常发生在发动机涡轮机匣和涡轮叶片之间，在这里发生的好处是可以起到保护发动机机匣免受高温流场侵蚀和减少泄漏流动。气膜冷却技术最先是由Goldstein[35]在1971年提出，它的主要工作原理如图1-2所示：在涡轮叶片上设计大量孔径在Φ0.2~0.8mm的气膜小孔，然后从处于高温环境下的壁面孔向主流引入冷却射流，冷流会在主流的压力和壁面的摩擦力共同作用下向靠近壁面方向弯曲，并最终附着在距离壁面一定高度的区域上，形成一层具有较低温度的冷气薄膜，并将壁面与高温隔离，从而对壁面起到良好的热防护作用。图1-2气膜冷却原理在气膜冷却方面，国内外学者们主要通过对叶栅流动特征和叶片冷却结构进行研究。张书华[36]等人通过瞬态液晶测量法对涡轮机匣的表面换热系数进行了测量，他们发现射流冲击会造成表面传热系数增强，在受到冲击影响的区域换
11第2章实验材料与方法2.1材料及试样的制备本文研究的材料是镍基单晶高温合金DD6，蠕变实验所用的镍基单晶合金DD6材料全部为西北工业大学提供。通过螺旋选晶法和籽晶法在真空定向凝固炉中制备出[001]取向的单晶合金试棒，试棒的初始尺寸为：直径Φ=13.5mm，长度L=110mm。由于初始单晶试棒中含有大量的γ+γ’共晶组织，合金的综合性能较差，因此需要将初始制备的单晶试棒放入箱式电阻炉中进行标准热处理。通常采用的热处理工艺为：1290℃/1h+1300℃/2h+1315℃/4h空冷+1120℃/4h空冷+870℃/32h空冷[46]。热处理过程按照效果可以分为一次固溶处理和两次时效处理，其中1290℃~1315℃对应固溶处理，它可以将合金中的共晶组织消除，同时析出均匀分布的γ’相。1120℃和870℃分别对应于两次时效处理，它们的作用分别是促使细小的γ’相长大和促使γ’相立方化程度增加。通过标准热处理后，合金中γ基体和γ’析出相以共格的方式在空间中交错分布。将经过标准热处理后的单晶试棒在电火花数控线切割机床上按照国标蠕变试样的标准进行线切割，总共切割出4组试样，其中两组试样不带气膜孔，另外两组试样带气膜孔。通过线切割机器切割出的不带气膜孔平板试样尺寸如图2-1所示，其中试样的长为10.0mm，宽为3.0mm，试样的厚度为1.5mm，同时在试样的两端通过精密电火花成型机各加工一个直径为Φ4.0mm的通孔，它的作用是方便蠕变试验机进行装夹。图2-1不带气膜孔单晶合金平板蠕变试样示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃气轮机涡轮叶片前缘气膜冷却性能仿真[J]. 田佳,李广超. 山东工业技术. 2018(10)
[2]边倒圆型气膜孔流动换热特性研究[J]. 孟通,朱惠人,刘存良,周申平. 推进技术. 2018(05)
[3]气膜孔分布对DD6单晶高温合金持久性能及断裂行为的影响[J]. 胡春燕,刘新灵,陶春虎,曹春晓. 材料工程. 2016(05)
[4]第二取向对镍基单晶高温合金DD33热疲劳性能的影响[J]. 王莉,周忠娇,姜卫国,王迪,申健,楼琅洪. 材料研究学报. 2014(09)
[5]高温合金叶片修复技术的应用与发展[J]. 聂丽萍,杨功显,巩秀芳. 东方汽轮机. 2013(04)
[6]DD6单晶高温合金二次γ’相的析出[J]. 喻健,李嘉荣,史振学,王效光,刘世忠,赵金乾. 稀有金属材料与工程. 2013(08)
[7]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[8]DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究[J]. 代胜刚,殷玲,卿华. 燃气涡轮试验与研究. 2011(04)
[9]涡轮机匣换热实验[J]. 张书华,张丽,朱惠人,许都纯. 航空动力学报. 2011(05)
[10]粉末高温合金[J]. 贾成厂,田高峰. 金属世界. 2011(02)
博士论文
[1]对带气膜孔的肋化冷却通道耦合换热特性的实验与数值研究[D]. 冯志新.中国科学技术大学 2013
[2]不同取向单晶镍基合金蠕变期间的组织演化与有限元分析[D]. 张姝.沈阳工业大学 2011
[3]基于有限变形晶体滑移理论的单晶力学行为及应用研究[D]. 万建松.西北工业大学 2003
硕士论文
[1]基于取向差和气膜孔的镍基单晶合金DD6蠕变性能研究[D]. 戴彭丹.武汉理工大学 2017
[2]部分Co基三元合金扩散动力学研究[D]. 陈捷.广东工业大学 2015
[3]DD6单晶合金热机械载荷下微观组织演化实验研究[D]. 全敦秒.武汉理工大学 2015
[4]航空发动机涡轮叶片冷却气膜孔加工技术[D]. 尹大鹏.大连理工大学 2013
[5]某航空发动机涡轮叶片动态可靠性建模与分析[D]. 曾波.电子科技大学 2013
[6]基于晶体塑性理论的镍基单晶构件力学性能的有限元分析[D]. 于庆民.西北工业大学 2005
本文编号：3219141
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
析出相γ’在三维空间中的排布方式示意图
7变速率减小将减缓宏观应变量；同时合金的应变速率与外加应力密切相关，外加应力越大，应变速率越快。张姝[34]通过基于唯象连续介质理论对蠕变过程中不同取向的单晶合金组织演化特征进行了研究，结果发现在合金各晶面主应力分量作用下，γ’相不同取向的晶面发生不同程度的晶格扩张及收缩，通过诱捕或排斥合金中的各组成元素促使γ’相沿特定取向转变，最终形成筏状结构。1.2.4气膜孔对叶片冷却特性的影响气膜孔冷却也被称为涡轮外环气膜冷却，它通常发生在发动机涡轮机匣和涡轮叶片之间，在这里发生的好处是可以起到保护发动机机匣免受高温流场侵蚀和减少泄漏流动。气膜冷却技术最先是由Goldstein[35]在1971年提出，它的主要工作原理如图1-2所示：在涡轮叶片上设计大量孔径在Φ0.2~0.8mm的气膜小孔，然后从处于高温环境下的壁面孔向主流引入冷却射流，冷流会在主流的压力和壁面的摩擦力共同作用下向靠近壁面方向弯曲，并最终附着在距离壁面一定高度的区域上，形成一层具有较低温度的冷气薄膜，并将壁面与高温隔离，从而对壁面起到良好的热防护作用。图1-2气膜冷却原理在气膜冷却方面，国内外学者们主要通过对叶栅流动特征和叶片冷却结构进行研究。张书华[36]等人通过瞬态液晶测量法对涡轮机匣的表面换热系数进行了测量，他们发现射流冲击会造成表面传热系数增强，在受到冲击影响的区域换
11第2章实验材料与方法2.1材料及试样的制备本文研究的材料是镍基单晶高温合金DD6，蠕变实验所用的镍基单晶合金DD6材料全部为西北工业大学提供。通过螺旋选晶法和籽晶法在真空定向凝固炉中制备出[001]取向的单晶合金试棒，试棒的初始尺寸为：直径Φ=13.5mm，长度L=110mm。由于初始单晶试棒中含有大量的γ+γ’共晶组织，合金的综合性能较差，因此需要将初始制备的单晶试棒放入箱式电阻炉中进行标准热处理。通常采用的热处理工艺为：1290℃/1h+1300℃/2h+1315℃/4h空冷+1120℃/4h空冷+870℃/32h空冷[46]。热处理过程按照效果可以分为一次固溶处理和两次时效处理，其中1290℃~1315℃对应固溶处理，它可以将合金中的共晶组织消除，同时析出均匀分布的γ’相。1120℃和870℃分别对应于两次时效处理，它们的作用分别是促使细小的γ’相长大和促使γ’相立方化程度增加。通过标准热处理后，合金中γ基体和γ’析出相以共格的方式在空间中交错分布。将经过标准热处理后的单晶试棒在电火花数控线切割机床上按照国标蠕变试样的标准进行线切割，总共切割出4组试样，其中两组试样不带气膜孔，另外两组试样带气膜孔。通过线切割机器切割出的不带气膜孔平板试样尺寸如图2-1所示，其中试样的长为10.0mm，宽为3.0mm，试样的厚度为1.5mm，同时在试样的两端通过精密电火花成型机各加工一个直径为Φ4.0mm的通孔，它的作用是方便蠕变试验机进行装夹。图2-1不带气膜孔单晶合金平板蠕变试样示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]燃气轮机涡轮叶片前缘气膜冷却性能仿真[J]. 田佳,李广超. 山东工业技术. 2018(10)
[2]边倒圆型气膜孔流动换热特性研究[J]. 孟通,朱惠人,刘存良,周申平. 推进技术. 2018(05)
[3]气膜孔分布对DD6单晶高温合金持久性能及断裂行为的影响[J]. 胡春燕,刘新灵,陶春虎,曹春晓. 材料工程. 2016(05)
[4]第二取向对镍基单晶高温合金DD33热疲劳性能的影响[J]. 王莉,周忠娇,姜卫国,王迪,申健,楼琅洪. 材料研究学报. 2014(09)
[5]高温合金叶片修复技术的应用与发展[J]. 聂丽萍,杨功显,巩秀芳. 东方汽轮机. 2013(04)
[6]DD6单晶高温合金二次γ’相的析出[J]. 喻健,李嘉荣,史振学,王效光,刘世忠,赵金乾. 稀有金属材料与工程. 2013(08)
[7]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[8]DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究[J]. 代胜刚,殷玲,卿华. 燃气涡轮试验与研究. 2011(04)
[9]涡轮机匣换热实验[J]. 张书华,张丽,朱惠人,许都纯. 航空动力学报. 2011(05)
[10]粉末高温合金[J]. 贾成厂,田高峰. 金属世界. 2011(02)
博士论文
[1]对带气膜孔的肋化冷却通道耦合换热特性的实验与数值研究[D]. 冯志新.中国科学技术大学 2013
[2]不同取向单晶镍基合金蠕变期间的组织演化与有限元分析[D]. 张姝.沈阳工业大学 2011
[3]基于有限变形晶体滑移理论的单晶力学行为及应用研究[D]. 万建松.西北工业大学 2003
硕士论文
[1]基于取向差和气膜孔的镍基单晶合金DD6蠕变性能研究[D]. 戴彭丹.武汉理工大学 2017
[2]部分Co基三元合金扩散动力学研究[D]. 陈捷.广东工业大学 2015
[3]DD6单晶合金热机械载荷下微观组织演化实验研究[D]. 全敦秒.武汉理工大学 2015
[4]航空发动机涡轮叶片冷却气膜孔加工技术[D]. 尹大鹏.大连理工大学 2013
[5]某航空发动机涡轮叶片动态可靠性建模与分析[D]. 曾波.电子科技大学 2013
[6]基于晶体塑性理论的镍基单晶构件力学性能的有限元分析[D]. 于庆民.西北工业大学 2005
本文编号：3219141
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