【摘要】：單晶高溫合金渦輪葉片是現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵熱端部件,而再結(jié)晶缺陷顯著地降低了其力學(xué)性能,需要極力避免。利用模擬技術(shù)和實(shí)驗(yàn)表征手段來研究單晶高溫合金的再結(jié)晶機(jī)理,并探究單晶葉片的再結(jié)晶產(chǎn)生規(guī)律,對(duì)減少再結(jié)晶缺陷的出現(xiàn)、提高單晶葉片的成品率有著重要意義�？紤]鎳基單晶高溫合金力學(xué)性能各向異性的特點(diǎn),建立了可工程應(yīng)用的熱彈塑性模型,并利用回歸方法分析獲得DD6合金的關(guān)鍵本構(gòu)參數(shù)。對(duì)典型幾何特征進(jìn)行了模擬分析,研究表明鑄件幾何結(jié)構(gòu)對(duì)塑性變形的影響比晶體取向大很多,并預(yù)測了簡單空心試棒易出現(xiàn)再結(jié)晶位置,預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。通過熱壓縮實(shí)驗(yàn)和壓痕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了單晶高溫合金再結(jié)晶形核及長大機(jī)理。小變形條件下變形溫度對(duì)再結(jié)晶敏感性有著重要影響,鑄態(tài)非均勻組織影響再結(jié)晶微觀組織演變。大塑性變形可以同時(shí)促進(jìn)再結(jié)晶形核和提高再結(jié)晶晶界推移速度,而回復(fù)處理很難降低變形樣品的再結(jié)晶傾向。變形組織中的層錯(cuò)缺陷可以促進(jìn)再結(jié)晶形核,而共格γ′粒子會(huì)嚴(yán)重阻礙再結(jié)晶晶界的推移。此外,單晶材料的各向異性特點(diǎn)會(huì)影響再結(jié)晶區(qū)域的分布。建立了模擬單晶高溫合金再結(jié)晶微觀組織演變的元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型。模型考慮了鑄態(tài)枝晶組織及變形溫度的影響,采用熱彈塑性模型模擬得到再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力分布,并獲得了再結(jié)晶晶界推移激活能數(shù)據(jù)及其他相關(guān)模型參數(shù)。模擬了再結(jié)晶組織隨時(shí)間的演變,并對(duì)比了等溫及標(biāo)準(zhǔn)固溶條件下再結(jié)晶微觀組織模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,兩者吻合良好。討論了再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)特點(diǎn),并分析了非規(guī)則再結(jié)晶晶界的成因�？紤]實(shí)際單晶空心渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特征,設(shè)計(jì)了兩種簡單鑄件模型,開展了定向凝固實(shí)驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)熱處理實(shí)驗(yàn)。通過模擬分析塑形變形分布預(yù)測了再結(jié)晶易產(chǎn)生位置,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,兩者吻合良好。鑄造工藝引入的細(xì)小結(jié)構(gòu)(如芯撐引起的凸起)容易產(chǎn)生再結(jié)晶�？锥础疾�、薄壁等應(yīng)力集中特征不一定引起再結(jié)晶的產(chǎn)生,但多種特征影響的疊加易導(dǎo)致再結(jié)晶的出現(xiàn)。針對(duì)某實(shí)際單晶空心渦輪葉片,開展了定向凝固過程的溫度場模擬和塑性變形模擬,分析和預(yù)測了其易于產(chǎn)生再結(jié)晶的位置,與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果大體吻合。最后,提出了減少單晶葉片定向凝固過程再結(jié)晶的工藝措施建議。
[Abstract]:Single crystal superalloy turbine blade is a key hot end component of modern advanced aero-engine. Recrystallization defects have significantly reduced its mechanical properties and need to be avoided. The recrystallization mechanism of single crystal superalloy and the regularity of recrystallization of single crystal blade are studied by means of simulation technology and experimental characterization. It is of great significance to reduce the appearance of recrystallization defects and improve the yield of single crystal blade. Considering the anisotropy of mechanical properties of Ni-based single crystal superalloys, a thermoelastic-plastic model for engineering applications was established, and the key constitutive parameters of DD6 alloys were obtained by regression analysis. The typical geometric characteristics are simulated and analyzed. The results show that the effect of geometric structure of castings on plastic deformation is much greater than that of crystal orientation, and the recrystallization position of simple hollow test bars is predicted. The predicted results are in good agreement with the experimental results. The mechanism of recrystallization nucleation and growth of single crystal superalloy was studied by thermal compression test and indentation test. Deformation temperature has an important effect on recrystallization sensitivity under small deformation condition, and the microstructure evolution of recrystallization is affected by non-uniform microstructure. Large plastic deformation can promote recrystallization nucleation and increase the rate of recrystallization grain boundary at the same time, but recovery treatment is difficult to reduce the recrystallization tendency of deformed samples. Laminated fault defects in deformed microstructure can promote recrystallization nucleation, while coherent 緯 'particles seriously hinder the recrystallization grain boundary. In addition, the anisotropy of single crystal material will influence the distribution of recrystallization region. A cellular automaton (CA) model was established to simulate the microstructure evolution of recrystallization of single crystal superalloys. The influence of as-cast dendritic structure and deformation temperature was taken into account in the model. The distribution of recrystallization driving force was simulated by thermoelastic-plastic model, and the activation energy data of recrystallization grain boundary and other related model parameters were obtained. The evolution of recrystallization microstructure with time was simulated, and the simulation results of recrystallization microstructure under isothermal and standard solution conditions were compared with the experimental results. The characteristics of recrystallization kinetics were discussed and the causes of irregular recrystallization grain boundaries were analyzed. Considering the structural characteristics of single crystal hollow turbine blades, two simple casting models were designed, and directional solidification experiments and standard heat treatment experiments were carried out. The location of recrystallization is predicted by simulation analysis of plastic deformation distribution, and the results are compared with the experimental results. The results are in good agreement with each other. The fine structure introduced by casting process, such as bulge caused by core brace, is easy to be recrystallized. The stress concentration characteristics of holes, grooves and thin-walled walls do not necessarily lead to recrystallization, but the superposition of various characteristics may lead to the occurrence of recrystallization. The simulation of temperature field and plastic deformation of a single crystal hollow turbine blade during directional solidification is carried out. The location of recrystallization is analyzed and forecasted, which is in good agreement with the actual production results. Finally, some technical measures to reduce the recrystallization of single crystal blade during directional solidification are put forward.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V252;TG132.3

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