DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究

代胜刚，殷玲，卿华

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样蠕变寿命研究

代胜刚，殷玲，卿华

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

研究了DD6单晶冷却涡轮叶片模拟试样中气膜孔对蠕变寿命的影响。分别对带气膜孔和不带气膜孔的薄壁圆管试样进行了蠕变测试，带气膜孔试样作为冷却叶片模拟件，不带气膜孔试样与之比较。900℃与1 000℃的蠕变试验结果表明：在相同应力条件下，壁厚为2.0 mm试样的蠕变寿命要比壁厚为1.5 mm试样的长，带气膜孔试样的蠕变寿命要比不带气膜孔的长，壁厚和气膜孔是影响模拟试样蠕变寿命的主要因素。通过扫描电镜分析发现：所有试样的蠕变断裂形式以韧窝断裂为主，带气膜孔试样的蠕变变形主要出现在气膜孔区域。

蠕变；镍基单晶；气膜孔；冷却叶片

1 引言

镍基单晶材料因其卓越的蠕变性能和疲劳性能而被广泛应用于航空发动机热端部件[1，2]。为提高发动机效率，必须进一步提高涡轮前燃气温度，这就对涡轮叶片材料提出了一个巨大的挑战。近年来，国内外采用气冷叶片设计很好地解决了这一难题[3，4]。然而，冷却叶片上分布着很多气膜孔，这些气膜孔附近的应力集中必然会对发动机的使用寿命产生很大影响[5]。因此，对气膜孔附近的力学行为进行研究是一项既艰难又有意义的工作。

目前，国内外对气冷叶片的研究大多局限于管状试样[6]和缺口薄壁平板试样[7，8]，鲜见有关气膜孔对气冷叶片强度和寿命影响的相关文献资料。于庆民等[9]设计了带气膜孔平板试样并对其进行了一些研究，结果表明气膜孔引起的应力集中会降低蠕变断裂寿命。考虑到叶片结构的复杂性及叶片工作状态下的应力状态等因素，本文设计了一种带气膜孔的薄壁圆管试样对气冷叶片进行研究。

本文对带与不带气膜孔的试样进行了蠕变性能测试，研究了[001]取向的DD6单晶薄壁圆管分别在900℃、500 MPa与1 000℃、300 MPa两种条件下的蠕变性能，并对部分试样进行了扫描电镜分析，对比研究了气膜孔对蠕变性能的影响。

2 试验试样与试验过程

试验试样采用了国内第二代镍基单晶高温合金DD6，其化学成分见表1。DD6试样毛坯采用熔模精铸和定向凝固法制成。测试力学性能的单晶试样坯件，在机械加工前经过标准制度的热处理。所有毛坯均采用X光劳厄背衍射法进行晶向检查，其偏角控制在5°内。为研究气膜孔对冷却叶片蠕变寿命的影响，根据叶片的复杂结构设计了如图1所示的薄壁圆管试样。试样有效段外径均为ϕ10 mm，内径分别为ϕ6 mm、ϕ7 mm，即对应的薄壁圆管厚度分别为2.0 mm和1.5 mm，气膜孔半径为0.2 mm(如图2所示)，采用电火花穿孔工艺进行加工。

图1 不带气膜孔试样Fig.1 Specimen without cooling holes

图2 带气膜孔试样Fig.2 Specimen with cooling holes

本文试验均在同一台CSS280液压伺服高温疲劳试验机上完成。试验环境为空气，试样升温速度为5℃/min，温度由热电偶控制，控温精度为±3℃，待温度升至目标值后，保温30 min后进行试验。试验时，冷却空气(室温)通过设计的中空夹具及夹头，使薄壁试样的内壁与外壁产生温度梯度。夹具的端部同时预留了热电偶通道，以便测量试样内部温度。冷却气流通过空气压缩机提供，气流流量为1.27 m3/h，由转子流量计控制。

3 结果分析

3.1 壁厚对蠕变寿命的影响

图3给出了900℃及1 000℃下，壁厚分别为2.0 mm、1.5 mm试样的拉伸蠕变应变-时间寿命曲线。图中n6、n7分别代表不带气膜孔壁厚为2.0 mm和1.5 mm试样，y6、y7分别代表带气膜孔壁厚为2.0 mm和1.5 mm试样。从图3(a)中不带气膜孔试样两种壁厚的试验结果对比曲线可以看出，在900℃、500 MPa下，壁厚为2.0 mm试样的蠕变寿命明显比壁厚为1.5 mm的大，两者数值上约差30 h；但壁厚对第二阶段的最小蠕变率没有显著影响。从图3(b)中可以看出，1 000℃、300 MPa条件下，壁厚对DD6单晶合金的蠕变寿命影响较弱，但从趋势上看，壁厚为2.0 mm试样的蠕变寿命要比壁厚为1.5 mm试样的大。从断裂时蠕变应变比较来看，在相同温度和应力水平下，2.0 mm壁厚试样的断裂应变比1.5 mm壁厚试样的大。

图3 相同温度及应力下不同试样的蠕变寿命Fig.3 Creep lives of different specimen at the same temperature and stress

3.2 气膜孔对蠕变寿命的影响

气膜孔的存在必然会引起应力集中，而应力集中往往会加速断裂的发生。但是，根据图3给出的900℃、500 MPa和1 000℃、300 MPa下带气膜孔与不带气膜孔试样的蠕变寿命曲线对比分析，发现带气膜孔试样的蠕变寿命反而大于不带气膜孔试样的，这一结论与文献[9]中带气膜孔平板试样的试验结果截然相反，但与文献[10]所述一致。文献[10]表明，气膜孔使得[001]取向单晶材料的应力三轴度产生利于材料蠕变性能的变化，从而使蠕变寿命变长。此外，气膜孔对第二阶段的最小蠕变率也有很大的影响，并且带气膜试样的断裂应变值要比不带气膜孔试样的小很多。这是因为气膜孔的存在导致主要的蠕变变形都集中在气膜孔附近，而在远离气膜孔的非最小截面处，其截面名义应力都要比不带气膜孔试样的小，所以带气膜孔试样的总变形量要比不带气膜孔试样的小。

4 电镜分析

由3.1节可知，900℃、500 MPa下壁厚对蠕变寿命的影响比1 000℃、300 MPa下的明显。从图4中的断口形貌来看，900℃、500 MPa下不同壁厚的断裂方式有差异，其中壁厚为2.0 mm试样的断口以韧窝为主，而壁厚为1.5 mm的试样则以撕裂岭为主；1 000°C、300 MPa下不同厚度试样的断裂方式均为韧窝断裂。

图4 不带气膜孔试样的断口形貌Fig.4 Fracture surface of specimen without cooling holes

图5带气膜孔试样的蠕变断口形貌Fig.5 Fracture surface of specimen with cooling holes

图5 为带气膜孔试样的断口形貌。对比图4(a)、图5(a)及图4(b)、图5(b)可以发现，在气膜孔附近存在大量的韧窝且要比不带气膜孔的深，同时断裂面也很不规则，其原因是气膜孔处存在应力集中和应变集中现象。在远离气膜孔的区域可以看到不平整的剪切唇，因此蠕变主要的变形发生在孔的局部区域，最后断裂是在远离孔的位置。对比图4(c)、图5(c)与图4(d)、图5(d)可以发现，带气膜孔试样的断口氧化较严重，韧窝也发生了明显的变形，气膜孔之间的高应力区存在明显的撕裂岭，试样最终从此处扯断。由此可以得出，气膜孔对试样的断裂形式有很大的影响，进而影响试样的蠕变寿命。

5 结论

(1)相同应力水平和环境下，2.0 mm壁厚试样的蠕变寿命要比1.5 mm壁厚试样的长，断裂应变值大，并且壁厚对低温下的影响要比高温下的影响大。

(2)带气膜孔试样的蠕变寿命明显要比不带气膜孔试样的大，并且带气膜孔试样的断裂应变值要比不带气膜孔试样的小很多。

[1]尹泽勇，岳珠峰，杨治国，等.各向异性单晶合金结构强度与寿命[M].北京：国防工业出版社，2003.

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[5]Nuñez J E，Glinka G.Analysis of Non-Localized Creep In⁃duced Strains and Stresses in Notches[J].Eng.Fract. Mech，2004，71：1791—1803.

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[10]Yu Q M，Wang Y L，Wen Z X，et al.Notch Effect and Its Mechanism during Creep Rupture of Nickel-Base Single CrystalSuperalloys[J].Mater.Sci.Eng，A，2009，520：1—10.

Creep Life Study on the Modeling Specimen of DD6 Single Crystal Cooling Turbine Blade

DAI Sheng-Gang，YIN Ling，QING Hua
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The study of creep life on a modeling specimen of DD6 single crystal cooling turbine blade is carried out.Thin-walled cylindrical specimens with holes are tested to model the air-cooled turbine blade. Specimens without holes are also studied to make comparisons.The experiments are made at 900℃and 1 000℃.Experimental results show that the creep lives of specimens with holes are longer than those of speci⁃mens without holes;temperatures and stresses are two main factors which influence the creep life of single crystal;the creep life of the 2.0 mm thick specimens are longer than those of the 1.5 mm thick specimens at the same loading conditions.Thickness and cooling holes are the prime factors which affect the creep life. Scanning Electron Microscopy(SEM)analyses reveal that all the specimens fracture surfaces are mainly made up of dimples and for the specimens with cooling holes,creep deformation concentrates on the region near cooling holes.

creep；single crystal；cooling holes；cooling turbine blade

V216.4+5

A

1672-2620(2011)04-0036-04

2011-05-11；

2011-10-10

代胜刚(1981-)，男，四川德阳人，工程师，硕士，从事发动机强度设计工作。