[发明专利]一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命-壁厚关系预测方法

说明书

本发明涉及一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命‑壁厚关系预测方法，其步骤为：1)将具有任意壁厚尺寸的标准件分为区域1和区域2两部分。2)获取最小壁厚标准件和最大壁厚标准件的蠕变试验寿命。3)若最小壁厚标准件的蠕变试验寿命更大，则采用基于区域划分的蠕变失效准则1预测蠕变寿命‑壁厚关系；反之，则采用基于区域划分的蠕变失效准则3预测蠕变寿命‑壁厚关系。4)若区域1损伤、区域2损伤均未达到1，则3)中的预测结果即为最终的蠕变寿命‑壁厚关系预测结果；若区域1损伤或区域2损伤达到1，则分别采用基于区域划分的蠕变失效准则2、基于区域划分的蠕变失效准则4更新3)中的蠕变寿命‑壁厚关系预测结果。

技术领域

本发明涉及一种反映截面尺寸效应的蠕变寿命-壁厚关系预测方法，主要用于镍基高温合金蠕变寿命-壁厚关系预测，为镍基高温合金构件(如镍基高温合金涡轮叶片)寿命设计与评估奠定基础，属于材料高温力学性能评估及航空发动机技术领域。

背景技术

镍基高温合金具有优良的高温性能，是制造先进航空发动机涡轮叶片的重要材料。随着航空发动机涡轮前温度的不断提高，涡轮叶片逐渐由实心结构演化为空心薄壁结构。涡轮叶片的薄壁区域通常是其薄弱环节，而空心薄壁结构力学性能通常不同于传统实心标准件的力学性能。因此，建立反映截面尺寸效应的力学性能-壁厚关系预测方法，准确评估空心薄壁结构的力学性能是十分必要的。

对于涡轮叶片的重要失效模式——蠕变，当前常用的寿命-壁厚关系预测方法可以分为两类：

(1)第一类方法：试件高温蠕变断裂过程与表面氧化层的产生有密切关系，氧化层的形成会使试件的有效承载面积减少、承受的有效应力增加，且表面氧化通常对较薄试件影响更大；通过量化表面氧化对不同壁厚标准件的影响规律、建立有效应力与壁厚的关系，并将有效应力带入传统蠕变寿命模型中，可以实现蠕变寿命-壁厚关系的预测(张丽,于慧臣,郭广平,等.[001]取向DD6单晶合金的薄壁试样持久性能与断裂行为[J].航空动力学报,2019,34:122-129)。

(2)第二类方法：直接建立壁厚尺寸相关的蠕变寿命模型或蠕变损伤模型，从而实现蠕变寿命-壁厚关系的预测(韩建锋.镍基单晶合金蠕变试样的尺寸效应及筏化的研究[D].西北工业大学,2011)。

以上两类方法均需要在相同试验条件下开展不同壁厚(通常不少于3种)的标准件蠕变试验，获取不同壁厚标准件蠕变试验寿命，并通过拟合试验结果获取模型参数。上述方法试验量较大、参数较多，其工程应用受到限制。

发明内容

本发明技术解决方案：一种新的反映截面尺寸效应的蠕变寿命-壁厚关系预测方法，该方法基于壁厚为δmm的标准件蠕变试验寿命和壁厚为δ’mm(δ’δ)的标准件蠕变试验寿命即可实现壁厚在δmm～δ’mm之间的标准件的蠕变寿命的准确预测，无需开展大量试验；此外，该方法可以结合线性损伤累积理论使用，在不使用任何拟合参数的条件下，准确预测不同壁厚标准件蠕变寿命-壁厚关系。具体实现步骤如下：

第一步，对于具有任意壁厚尺寸的标准件，在蠕变寿命预测过程中，将整个标准件分为区域1(材料表面区域)和区域2(材料内部区域)两部分。其中，区域1的厚度由壁厚最小标准件确定，区域2的厚度为标准件总厚度与区域1厚度之差。

第二步，开展最小壁厚(通常不大于0.5mm)标准件蠕变试验和最大壁厚(通常不小于2.5mm)标准件蠕变试验，获取最小壁厚标准件蠕变试验寿命和最大壁厚标准件蠕变试验寿命。

第三步，判断最小壁厚标准件的蠕变试验寿命是否小于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命。

(1)若最小壁厚标准件的蠕变试验寿命小于最大壁厚标准件的蠕变试验寿命，则说明材料具有薄壁效应(属于截面尺寸效应)，此时采用基于区域划分的蠕变失效准则1预测蠕变寿命-壁厚关系。基于区域划分的蠕变失效准则1认为：具有薄壁效应的材料，区域1损伤D₁大于区域2损伤D₂，整个标准件的总损伤速率是区域1损伤速率和区域2损伤速率的面积平均值，即：