一種高溫合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鎳基定向凝固高溫合金葉片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種定向凝固渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機(jī)是高度復(fù)雜和精密的熱力機(jī)械，作為航空發(fā)動機(jī)最關(guān)鍵部件之一的渦輪葉片是燃?xì)獾撵屎蛣幽苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能的重要熱端部件。隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的不斷提高，葉片外部燃?xì)鉁囟炔粩嗵岣?，常常遠(yuǎn)超葉片材料的熔點(diǎn)，因此需利用涂層、表面氣膜冷卻、內(nèi)部冷卻孔等方式降低葉片基體溫度，但也給葉片的基體溫度測量及計算增加了難度。同時，由于從燃燒室出來的燃?xì)獯嬖跍囟忍荻龋又疁u輪葉片自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，渦輪葉片的不同部位工作時的溫度梯度通常較大，服役溫度場很不均勻。然而，葉片溫度分布是渦輪葉片葉形及冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)，同時也是葉片維修檢測時確定考核點(diǎn)的重要依據(jù)，具有顯著工業(yè)應(yīng)用價值。
[0003]目前，建立在邊界條件上的數(shù)值模擬計算方法是預(yù)測葉片溫度場最為普遍的方法。但是，由于渦輪葉片涂層結(jié)構(gòu)及冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性以及它們對計算結(jié)果的影響，數(shù)值計算的方法往往難以準(zhǔn)確預(yù)測葉片的基體溫度。
[0004]渦輪葉片在服役過程中，由于長期處于高溫高壓燃?xì)夂蛷?fù)雜應(yīng)力引起的蠕變作用下，內(nèi)部冶金組織會不可避免地發(fā)生損傷退化，如γ ’相的粗化、筏形及體積分?jǐn)?shù)的下降，碳化物的分解和轉(zhuǎn)變，晶界γ’相膜的形成，TCP等脆性相的析出及蠕變孔洞與裂紋等。葉片的不同部位由于工況的不同，服役后組織的退化程度存在差異，通過量化表征葉片服役后微觀組織的退化程度可以間接反推葉片的服役環(huán)境，使得利用退化的微觀組織評估葉片服役溫度場成為可能，但目前尚無將退化組織進(jìn)行量化并利用其對葉片的實(shí)際服役溫度的進(jìn)行量化評估的相關(guān)報道。
[0005]因此，亟待發(fā)明一種基于退化組織的定向凝固DZ125高溫合金渦輪葉片的服役溫度實(shí)驗(yàn)評估方法，對葉片的基體溫度進(jìn)行定量評估。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種基于退化組織的定向凝固DZ125合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法。該方法可對DZ125合金渦輪葉片葉身各部位的服役溫度進(jìn)行評估，評估精度為±50°C，評估結(jié)果更加可靠，適合工程應(yīng)用。
[0008]—種高溫合金渦輪葉片服役溫度實(shí)驗(yàn)評估方法，其核心技術(shù)要點(diǎn)為:定向凝固DZ125合金渦輪葉片在實(shí)際服役過程中是其相組成由亞穩(wěn)態(tài)向平衡態(tài)過渡的過程，溫度是DZ125合金平衡態(tài)γ ’相的體積分?jǐn)?shù)的決定因素，同時也是DZ125合金亞穩(wěn)態(tài)γ ’相的體積分?jǐn)?shù)的最主要影響因素，由此可建立溫度和時間與枝晶干中部一次γ ’相的體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，基于組織量化數(shù)據(jù)，從而對葉片實(shí)際服役溫度進(jìn)行評估。具體的評估包括以下步驟:
1)由于DZ125合金渦輪葉片葉片的設(shè)計使用溫度為1050°C以下，同時考慮到實(shí)際使用中葉片存在超溫的現(xiàn)象，對渦輪葉片材料DZ125合金進(jìn)行不同溫度下不同時長的熱暴露實(shí)驗(yàn)，隨后對合金在各溫度不同時長下熱暴露后的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計，得到不同時間下各溫度與一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。
[0009]2)對實(shí)際服役m小時后的DZ125合金葉片某部位的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到服役m小時葉片的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)。
[0010]3)進(jìn)行平均服役溫度和最高服役溫度評估，將統(tǒng)計所得的服役m小時的DZ125合金葉片的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)室熱暴露得到的m小時后一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比，得到葉片的平均服役溫度；將統(tǒng)計所得的服役m小時的DZ125合金葉片的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)室熱暴露得到的m*15%-35%小時后一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比，得到葉片的最高服役溫度。
[0011]所述實(shí)際服役時間m彡葉片使用壽命。
[0012]所述DZ125合金進(jìn)行不同溫度下不同時長的的熱暴露實(shí)驗(yàn)的溫度是900°C、950°C、1000°C、1050°C及1100°C，熱暴露時長不超過葉片的使用壽命，并在該時長范圍內(nèi)與葉片實(shí)際服役時間m等長或與葉片實(shí)際服役時間m*15°/『35%等長。
[0013]所述與葉片實(shí)際服役時間m等長的熱暴露實(shí)驗(yàn)用來評估平均服役溫度，與葉片實(shí)際服役時間m*15°/『35%等長的熱暴露實(shí)驗(yàn)用來評估最高服役溫度。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過熱暴露實(shí)驗(yàn)確立了溫度和時間與一次γ ’相的體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，利用該關(guān)系及實(shí)測的服役一定時間后葉片基體的一次γ’相的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)了對服役葉片基體溫度的量化評估。與數(shù)值模擬計算方法相比，該方法排除了葉片涂層及氣膜冷卻對葉片服役溫度的復(fù)雜影響，在評估葉片基體服役溫度方面的精度為±50°C。評估結(jié)果更加可靠，適合工程應(yīng)用，在DZ125葉片的服役溫度評估中具有較強(qiáng)工程應(yīng)用意義及廣闊前景。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1為服役900h后DZ125合金葉片榫頭部位橫截面枝晶干處顯微組織。
[0017]圖2為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后DZ125合金橫截面枝晶干處顯微組織。
[0018]圖3為DZ125合金γ ’相體積分?jǐn)?shù)與服役溫度和時長的對應(yīng)關(guān)系。
[0019]圖4為服役900小時DZ125合金葉片某部位橫截面枝晶干處顯微組織。
[0020]
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下示例將對本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，以便本領(lǐng)域人員更好地理解本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征。
[0022]首先，驗(yàn)證DZ125服役葉片及片材料DZ125合金的原始組織是否近似或一致。對DZ125合金葉片榫頭部位及經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的葉片材料DZ125合金的顯微組織進(jìn)行觀察，二者丫’相的形貌、尺寸及立方度十分接近，分別如圖1及圖2所示。參照GB/T 15749中的網(wǎng)格數(shù)點(diǎn)法定量統(tǒng)計γ ’相的體積分?jǐn)?shù)。設(shè)定216個網(wǎng)格交點(diǎn)，當(dāng)交點(diǎn)位于γ ’相中計為1，當(dāng)交點(diǎn)位于γ ’相與基體界面計為0.5，當(dāng)交點(diǎn)位于基體中計為0，上述統(tǒng)計結(jié)果與交點(diǎn)總數(shù)的比值即為γ’相體積分?jǐn)?shù)。在各觀察位置至少隨機(jī)選取5個不重疊的視場計算γ’相體積分?jǐn)?shù)，取平均值作為測量結(jié)果(以下統(tǒng)計體積分?jǐn)?shù)均用此方法)。經(jīng)統(tǒng)計DZ125合金及葉片榫頭的γ ’相體積分?jǐn)?shù)均為67%左右，經(jīng)驗(yàn)證原始狀態(tài)下二者的γ ’相體積分?jǐn)?shù)也基本保持一致。
[0023]該型葉片翻修期為300h，因此獲取的葉片實(shí)際服役時間多為300h、600h及900h，目前最長壽命為900h。因此對葉片材料DZ125合金進(jìn)行900 °C、950 °C、1000 °C、1050 °C、1100°C下分別熱暴露100h、300h、600h及900h的模擬實(shí)驗(yàn)。對熱暴露后γ ’相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計，得到各溫度不同時長熱暴露后的γ ’相的體積分?jǐn)?shù)，從而建立了服役溫度和時間與γ ’相的體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。
[0024]定義葉片平均服役溫度和最高服役溫度:在葉片整個服役過程中，假定葉片的服役溫度是恒定的；在已知的服役時間內(nèi)，葉片等效或近似的損傷組織所對應(yīng)的溫度為平均服役溫度。然而，葉片在整個服役過程中的服役溫度并非是恒定的，在飛機(jī)的起飛和爬升階段等較大運(yùn)行狀態(tài)所占的服役時間占總服役時間的15%-35%，但所造成的組織及壽命損傷卻占總損傷的80%以上。因此，假定葉片較大運(yùn)行狀態(tài)占總服役時間的15%-35%，由于較大運(yùn)行狀態(tài)的較高溫度及較強(qiáng)損傷作用，在已知服役時間的15%_35%時間段內(nèi)，葉片等效或近似的損傷組織所對應(yīng)的服役溫度為葉片的最高服役溫度。
[0025]對圖4中實(shí)際服役900h后DZ125合金葉片葉身某部位γ ’相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計，得到其γ ’相的體積分?jǐn)?shù)為59.8%。
[0026]將該部位的體積分?jǐn)?shù)與圖3中900h下服役溫度與γ ’相的體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比，得到其平均服役溫度為950~1000°C。將該部位的體積分?jǐn)?shù)與300h (占總服役時長的33%)下服役溫度與γ ’相的體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比，得到其最高服役溫度為 1000~1050°C。
[0027]通過評估得到DZ125合金葉片的平均服役溫度及最高服役溫度，由于葉片實(shí)際服役過程中，其服役狀態(tài)與最高服役溫度的假設(shè)更為接近，即葉片服役溫度是不斷變化的。并且由于高溫與低溫的溫差較大，導(dǎo)致了占時較短的高溫服役階段造成的損傷卻占總損傷的絕大部分。因此，最高服役溫度的評估結(jié)果更接近葉片的實(shí)際服役條件，該評估結(jié)果在葉片的設(shè)計及維修中具有較強(qiáng)工程應(yīng)用意義。
【主權(quán)項】
1.一種高溫合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 1)對渦輪葉片材料DZ125合金進(jìn)行不同溫度下不同時長的熱暴露實(shí)驗(yàn)，隨后對合金在各溫度不同時長下熱暴露后的一次γ’相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量統(tǒng)計，得到不同時間下各溫度與一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系； 2)對實(shí)際服役m小時后的DZ125合金葉片某部位的一次γ’相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計，得到服役m小時葉片的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)； 3)進(jìn)行平均服役溫度和最高服役溫度評估，將統(tǒng)計所得的服役m小時的DZ125合金葉片的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)室熱暴露得到的m小時后一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比，得到葉片的平均服役溫度；將統(tǒng)計所得的服役m小時的DZ125合金葉片的一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)和實(shí)驗(yàn)室熱暴露得到的m*15%~35%小時范圍內(nèi)一次γ ’相體積分?jǐn)?shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行對比，得到葉片的最高服役溫度。2.如權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法，其特征在于，所述實(shí)際服役時間m <葉片使用壽命。3.如權(quán)利要求1所述的高溫合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法，其特征在于，所述DZ125合金進(jìn)行不同溫度下不同時長的的熱暴露實(shí)驗(yàn)的溫度是900°C、950°C、1000°C、1050°C及1100°C，熱暴露時長不超過葉片的使用壽命，并在該時長范圍內(nèi)與葉片實(shí)際服役時間m等長或與葉片實(shí)際服役時間m*15%~35%等長。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高溫合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估方法，涉及DZ125定向凝固高溫合金渦輪葉片服役溫度的實(shí)驗(yàn)評估。該方法依據(jù)熱力學(xué)相平衡原理，通過葉片材料實(shí)驗(yàn)室熱暴露實(shí)驗(yàn)，確定了溫度和時間與枝晶干中部一次γ’相的體積分?jǐn)?shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。利用該關(guān)系與及實(shí)際服役一定時間后葉片的一次γ’相的體積分?jǐn)?shù)，實(shí)現(xiàn)了對服役葉片的基體溫度的評估。該方法排除了葉片涂層及氣膜冷卻對葉片服役溫度的復(fù)雜影響，在評估葉片基體服役溫度方面更加可靠，適合工程應(yīng)用，在DZ125葉片的服役溫度評估中具有較強(qiáng)工程應(yīng)用意義及廣闊前景。
【IPC分類】G01N17/00
【公開號】CN105403502
【申請?zhí)枴緾N201511001600
【發(fā)明人】馮強(qiáng), 陳亞東, 安文瑞, 鄭運(yùn)榮
【申請人】北京科技大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月28日