[发明专利]一种定向合金材料热机械疲劳剩余寿命评估方法

说明书

本发明公开的一种定向合金材料热机械疲劳剩余寿命评估方法，该方法结合了实际服役条件、大应变加速热机械疲劳试验和寿命模型分析，既考虑服役部件的实际服役条件，又考虑到传统Manson‑Coffin方程误差大、费时等问题，通过在不同温度循环、大应变范围条件下测试获得部件所用定向合金材料的热机械疲劳曲线，拟合曲线形成一种新的热机械疲劳寿命分析模型。依据部件实际服役温度循环和应变范围，定量计算获得部件所用定向合金材料的热机械疲劳寿命。本发明操作简单，方法可靠，结果准确，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机所用定向合金材料的剩余热机械疲劳寿命评估要求，并指导检修计划的合理制定。

技术领域

本发明属于高温合金材料技术领域，具体涉及一种定向合金材料热机械疲劳剩余寿命评估方法。

背景技术

透平动叶片作为燃气轮机的核心部件，是工作环境最恶劣、结构最复杂、故障最多、更换费用最高的部件。在长时间高温、高应力和频繁启停下服役，高温部件不可避免地产生不同程度的热机械疲劳损伤，已成为影响其服役寿命的决定性因素。为了合理利用部件寿命，并制定合理的检修周期和修复方案，以保证燃气轮机发电设备安全、经济、持续运行，燃气轮机透平动叶片所用定向合金材料热机械疲劳寿命评估方法已受到国内外研究者们的关注。

目前，国内外对高温合金热机械疲劳寿命评估方法的研究主要集中在三个方面：Manson-Coffin方程、微裂纹扩展模型、拉伸迟滞能(Ostergren)等寿命预测模型存在如下缺点：在计算时使用了影响模型寿命预测精度的弹性模量，模型不能反映出材料的疲劳极限，这与实际情况不符，模型的物理意义不清晰和处理方法复杂等。另外，在既有循环热载荷和机械载荷下，材料的损伤机理更为复杂，疲劳损伤、氧化损伤和蠕变损伤之间的交互作用十分复杂，也很难进行定量描述。热机械疲劳实验难度大，周期长，所需经费大，在投入大量经费下得到的实验数据如果不能得到合理的表征并处理得到精度较高的寿命预测模型，将造成巨大的浪费，且不利于结构强度设计和寿命预测工作的开展。因此，发展通过加速热机械疲劳实验形成表达形式简单、方程参数物理意义明确并具有较高寿命预测精度的寿命评估方法意义重大，成为国内外学者研究的重要课题。

从国内外研究现状看，现有的高温部件热机械疲劳寿命评估方法均存在缺陷，开发一种适用性强、操作相对简单、准确性高的燃气轮机高温部件剩余热机械疲劳寿命评估方法具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种定向合金材料热机械疲劳剩余寿命评估方法，依据部件实际服役温度循环和应变范围，定量计算获得部件所用定向合金材料的热机械疲劳寿命。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种定向合金材料热机械疲劳剩余寿命评估方法，包括以下步骤：

步骤1、获得部件所用定向合金材料的服役温度循环范围和应变载荷范围；

步骤2、选择与步骤1相同的材质制备定向合金疲劳试样，在步骤1的温度循环范围内以及大于步骤1应变载荷范围的条件下，进行热机械疲劳试验，获取定向合金疲劳试样在不同应变载荷范围对应的热机械疲劳温度循环次数；

步骤3、根据得到不同应变载荷范围和对应的热机械疲劳温度循环次数，确定定向合金材料的热机械疲劳寿命曲线；

步骤4、根据步骤1部件的温度循环范围和应变载荷范围，并结合步骤3得到的定向合金材料的热机械疲劳寿命曲线，确定部件所用定向合金材料的总热机械疲劳寿命值；

步骤5、根据定向合金材料的总热机械疲劳寿命值，减去步骤1部件已经历的温度循环次数，得到服役部件所用定向合金材料的剩余寿命。

优选的，步骤2中所述热机械疲劳试验的方法如下：

在高温疲劳试验机上进行试验，温度循环范围为20℃～1200℃，应变载荷范围为0.5％～2％。