鎳基單晶高溫合金基于它良好的高溫強度、抗蠕變性和抗氧化能力而成為航空發(fā)動機渦輪葉片的首選材料。在渦輪葉片上設(shè)計大量的氣膜孔可以有效提高葉片冷卻效率,從而降低葉片壁面溫度,但氣膜孔的存在又會對渦輪葉片的疲勞強度和使用壽命造成一定的影響。因此,針對氣膜孔對鎳基單晶合金蠕變性能以及氣膜冷卻特性的影響的研究具有十分重要的意義。本文以鎳基單晶高溫合金DD6為研究對象。首先以納米尺度作為單位,通過有限元分析技術(shù)分別研究了拉/壓蠕變條件下立方γ’相的微觀演化過程;然后通過高溫拉伸蠕變試驗對帶氣膜孔和不帶氣膜孔平板試樣斷裂后的微觀組織和斷口形貌進行了對比分析,探討了氣膜孔對平板試樣蠕變特性的影響;最后以激光加工氣膜孔過程中產(chǎn)生的邊倒圓型孔為對象,對不同吹風比下邊倒圓型孔氣膜冷卻特性進行了研究分析。有限元分析表明,[001]取向單晶晶胞在高溫拉/壓蠕變期間,在晶面主應(yīng)力分量的作用下,立方γ’相不同晶面會發(fā)生晶格收縮或擴張。晶格的變化會對Al、Ti等原子產(chǎn)生排斥或吸附作用,并促使γ’相沿晶格擴張法線方向定向生長,最終形成N-型或P-型定向粗化。高溫拉伸蠕變試驗表明,氣膜孔對單晶合金DD6平板試樣的蠕變性能... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

析出相γ’在三維空間中的排布方式示意圖

7變速率減小將減緩宏觀應(yīng)變量；同時合金的應(yīng)變速率與外加應(yīng)力密切相關(guān)，外加應(yīng)力越大，應(yīng)變速率越快。張姝[34]通過基于唯象連續(xù)介質(zhì)理論對蠕變過程中不同取向的單晶合金組織演化特征進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在合金各晶面主應(yīng)力分量作用下，γ’相不同取向的晶面發(fā)生不同程度的晶格擴張及收縮，通過誘捕或排斥合金中的各組成元素促使γ’相沿特定取向轉(zhuǎn)變，最終形成筏狀結(jié)構(gòu)。1.2.4氣膜孔對葉片冷卻特性的影響氣膜孔冷卻也被稱為渦輪外環(huán)氣膜冷卻，它通常發(fā)生在發(fā)動機渦輪機匣和渦輪葉片之間，在這里發(fā)生的好處是可以起到保護發(fā)動機機匣免受高溫流場侵蝕和減少泄漏流動。氣膜冷卻技術(shù)最先是由Goldstein[35]在1971年提出，它的主要工作原理如圖1-2所示：在渦輪葉片上設(shè)計大量孔徑在Φ0.2~0.8mm的氣膜小孔，然后從處于高溫環(huán)境下的壁面孔向主流引入冷卻射流，冷流會在主流的壓力和壁面的摩擦力共同作用下向靠近壁面方向彎曲，并最終附著在距離壁面一定高度的區(qū)域上，形成一層具有較低溫度的冷氣薄膜，并將壁面與高溫隔離，從而對壁面起到良好的熱防護作用。圖1-2氣膜冷卻原理在氣膜冷卻方面，國內(nèi)外學(xué)者們主要通過對葉柵流動特征和葉片冷卻結(jié)構(gòu)進行研究。張書華[36]等人通過瞬態(tài)液晶測量法對渦輪機匣的表面換熱系數(shù)進行了測量，他們發(fā)現(xiàn)射流沖擊會造成表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增強，在受到?jīng)_擊影響的區(qū)域換

11第2章實驗材料與方法2.1材料及試樣的制備本文研究的材料是鎳基單晶高溫合金DD6，蠕變實驗所用的鎳基單晶合金DD6材料全部為西北工業(yè)大學(xué)提供。通過螺旋選晶法和籽晶法在真空定向凝固爐中制備出[001]取向的單晶合金試棒，試棒的初始尺寸為：直徑Φ=13.5mm，長度L=110mm。由于初始單晶試棒中含有大量的γ+γ’共晶組織，合金的綜合性能較差，因此需要將初始制備的單晶試棒放入箱式電阻爐中進行標準熱處理。通常采用的熱處理工藝為：1290℃/1h+1300℃/2h+1315℃/4h空冷+1120℃/4h空冷+870℃/32h空冷[46]。熱處理過程按照效果可以分為一次固溶處理和兩次時效處理，其中1290℃~1315℃對應(yīng)固溶處理，它可以將合金中的共晶組織消除，同時析出均勻分布的γ’相。1120℃和870℃分別對應(yīng)于兩次時效處理，它們的作用分別是促使細小的γ’相長大和促使γ’相立方化程度增加。通過標準熱處理后，合金中γ基體和γ’析出相以共格的方式在空間中交錯分布。將經(jīng)過標準熱處理后的單晶試棒在電火花數(shù)控線切割機床上按照國標蠕變試樣的標準進行線切割，總共切割出4組試樣，其中兩組試樣不帶氣膜孔，另外兩組試樣帶氣膜孔。通過線切割機器切割出的不帶氣膜孔平板試樣尺寸如圖2-1所示，其中試樣的長為10.0mm，寬為3.0mm，試樣的厚度為1.5mm，同時在試樣的兩端通過精密電火花成型機各加工一個直徑為Φ4.0mm的通孔，它的作用是方便蠕變試驗機進行裝夾。圖2-1不帶氣膜孔單晶合金平板蠕變試樣示意圖

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碩士論文
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本文編號：3219141