定向凝固镍基高温合金缺口低循环疲劳性能及寿命预测

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1、航空学报JuI．252013V01．34No．71596，1604ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．eduC13hkxb@buaa．edu．cn定向凝固镍基高温合金缺13低循环疲劳性能及寿命预测杨晓光1’*，黄佳1，王井科2，胡晓安1，石多奇11．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京10019l2．中国人民解放军95899部队，北京100097摘要：针对定向凝固(DS)镍基高温合金DZl25

2、开展了850℃条件下不同缺口形式和不同理论应力集中系数(K。)下的低循环疲劳(LCF)试验研究。利用弹塑性有限元分析缺口根部的应力应变场，并将传统临界距离理论(TCD)及其K。修正形式引入SWT参数，以此开展缺口试件LCF寿命预测研究。结果表明：高温LCF强度同缺口几何形状关联不大，但具有强的K，相关性；无论是将尖锐缺口试件作为校准试件还是对临界距离进行平均处理，传统TCD的点方法(PM)及线方法(LM)其寿命预测大于5倍分散带，且预测能力同缺口应力集中程度相关；改进TCD的点方法和线方法可得到小于2倍的分散带

3、，且其预测精度与缺口几何形状无关。由于SwT参数可考虑平均应力(应力比)影响，故根据光滑试件和某K。下缺口LCF试验数据便可以采用改进TCD预测其他缺口试件在不同应力比下的疲劳寿命，其应用简单、方便。关键词：低循环疲劳；临界距离理论；SWT参数；Manson—Coffin方法；定向凝固镍基高温合金中图分类号：V231．92文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)07—159609现代航空工业的发展，导致对发动机结构重量和冷却性能等的要求越来越苛刻，具体表现为发动机涡轮叶片、压气机叶片等零部件结构越

4、来越复杂，几何上本身存在很多不连续。比如：涡轮叶片上的冷却小孔、叶片内部复杂的气流通道、叶身与榫头的弧形过渡等；同时，材料内部本身工艺缺陷，例如夹杂、铸造缺陷、加工划痕等也会造成几何不连续；此外，发动机使用过程中，外物的吸入，会在发动机叶片上造成压痕、划痕、缺口等。上述几何不连续处在载荷作用下将产生应力集中，对构件的疲劳有显著的影响[1。2]。而应力集中下寿命预测模型是否简单有效，将直接影响到复杂结构件疲劳寿命的预测精度和效率。针对应力集中影响下的单轴疲劳寿命问题，目前广泛发展的预测方法中：局部应变法以缺口根部

5、(或危险点处)的应变范围结合光滑试件的疲劳寿命曲线估计构件寿命，具代表性的两种常用形式是Man—son—Coffin公式[3_43与Morrow[5]和SWT[63平均应力修正公式；非局部方法中，Yao等[71提出的应力场强参数△㈣，在预测缺口构件低循环疲劳(LCF)寿命时可以直接建立其与寿命的关系。Bentachfine等[83引入临界疲劳损伤区的概念，提出了一种基于平均应变能密度的缺口LCF寿命预测方法。而临界距离理论(TCD)则是将寿命预测的经验方法同线弹性断裂力学方法联系起来，其实施简单和效率高的特点使

6、得该方法近几十年来得到了长足的发展。该方法由Neuber[93和Peterson[1叩首先提出，随后Taylor[1u对临界收稿日期：2012—09—03；退修日期：2012-11—21；录用日期：2012—12-25；网络出版时间：2013-01—0910：23网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．20130109．1023004．htmI*通讯作者Tel．：010-82339071E-mail：yxg@buaaeducn引用格武lYangXG，HuangJ，Wang

7、JK，etal．PropertiesandlifepredictionoflowcyclefatiguebehavioronnotchedDSNi-basedsuperal—loyActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(7)：1596—1604．杨姥老，费往，王并群，筝定廊凝曰镶墓高温台金辨口低循环疲劳性能及寿命预溺．航空学报．2013．34(7)：1596-1604．杨晓光等：定向凝固镍基高温合金缺VI低循环疲劳性能及寿命预测距离思想进行再研究而提出了广泛用于疲

8、劳极限强度预测的方程。而Susmel和Taylor[12。1朝基于I临界距离取决于失效寿命的假设，并结合Man—son—Coffin公式以及SWT公式，使该方法能扩展运用于LCF寿命预测。同时，基于TCD还可成功预测多轴疲劳加载下缺口构件的LCF寿命[14I。总之，基于TCD的寿命预测方法，概念明确且实施简单，其适用范围已经扩展到全寿命范围的预测。本文通过3种缺口形式(U型、V型和C型