镍基单晶涡轮冷却叶片本征疲劳失效机理与测试技术研究

Nickel-based single crystal cooling turbine blade is the most important part in the aircraft engine. At present, the studies of the fatigue performances are based on the tests by using single casting samples. The microstructure and casting defects of the blade material, the differences of the separate casting bars, the surface qualities of the original casting, and the thin-wall effects of specimens were not considered. The in-situ fatigue failure mechanism and the test technology based on blade material characteristics and structural characteristics are lacking..This project intends to cut the specimens from turbine blade directly to investigate the microstructure evolution law of nickel-based single crystal cooling turbine blade materials under fatigue loading, and then obtain the intrinsic fatigue failure mechanism and description model of the blade material. Based on geometry dimension of turbine blade, it will be develop that the small tensile-compression fatigue specimen cutting from the cooling turbine blade directly, and double-shearing fatigue specimen to measure the slipping law. The sample size, machining standard and test method will be obtained by optimization research. Meanwhile，we will study the influence mechanism and description model of thin-wall effect and the original surface casting quality on fatigue property of blade. Finally, the in-situ fatigue properties of different parts of the blades and their differences will be obtained. The key theory and method can be used to evaluate the fatigue performance of the blades.

镍基单晶涡轮冷却叶片是航发的第一关键件，目前对其疲劳性能的研究均基于单独铸造试样的试验数据，没有考虑材料的微结构、铸造缺陷等和单独铸造试棒的差异性，以及原始铸造表面质量、薄壁尺寸效应等对疲劳的影响，缺乏基于叶片材料特征和结构特征的本征疲劳失效机理和测试技术研究。.本项目拟直接从叶片中取样，研究镍基单晶涡轮冷却叶片材料微结构及其在疲劳载荷下的演化规律，获得叶片材料的本征疲劳失效机理和描述模型；基于叶片的可行尺寸，发展可以直接从叶片中取样的拉压小疲劳试样和可以直接测定滑移系滑移规律的双剪切小疲劳试样，优化研究给出试样尺寸、加工标准和试验方法；研究铸造原始表面疲劳质量对疲劳机理和模型的影响，研究叶片薄壁尺寸效应对疲劳性能的影响机理和描述模型，得到基于叶片结构特征的本征疲劳失效机理和描述模型；应用于型号叶片中，得到叶片不同部位材料本征疲劳性能及其差异性，为叶片本征疲劳性能的评估提供核心理论与方法。

镍基单晶涡轮冷却叶片是航发的第一关键件，目前对其疲劳性能的研究均基于单独铸造试样的试验数据，没有考虑材料的微结构、铸造缺陷等和单独铸造试棒的差异性，以及原始铸造表面质量、薄壁尺寸效应等对疲劳的影响，缺乏基于叶片材料特征和结构特征的本征疲劳失效机理和测试技术研究。本项目直接从叶片中取样，研究镍基单晶涡轮冷却叶片材料微结构及其在疲劳载荷下的演化规律，获得叶片材料的本征疲劳失效机理和描述模型；基于叶片的可行尺寸，开发出可以直接从叶片中取样的拉压小疲劳试样和可以直接测定滑移系滑移规律的疲劳小试样，优化研究给出试样尺寸、加工标准和试验方法；明确了铸造原始表面疲劳质量对疲劳机理和模型的影响，提出了叶片薄壁尺寸效应对疲劳性能的影响机理和描述模型，得到基于叶片结构特征的本征疲劳失效机理和描述模型，经验证，模型误差在3倍分散带内；应用于型号叶片中，得到叶片不同部位材料本征疲劳性能及其差异性，为叶片本征疲劳性能的评估提供核心理论与方法。本项目的研究将增加对国产镍基单晶合金在冷却涡轮冷却单晶叶片工作环境状态下的变形、损伤及失效机理的基本认识，提出的冷却叶片的本征疲劳寿命预测模型，不仅可以尽量避免灾难性事故的发生，减少不确定因素，而且可充分利用材料性能储备和安全地确定涡轮冷却单晶叶片疲劳强度和寿命，从而推动国产发动机的发展和单晶材料的应用，具有重要意义。研究成果同样可以推广应用于燃气轮机等其它动力装置中。