基于夹杂致裂微裂纹扩展的粉末合金寿命多尺度预测方法

Powder metallurgy (PM) superalloys are employed for turbine discs of modern turbine engines. However, the inclusion inevitably is introduced into the PM materials during manufacturing process, which can contribute to the cracks formation and even terminates the lifetime of these components. Thus far, a few efforts have been made to investigate the growth mechanism, kinetics and numerical modeling on inclusion-included-cracks. The existing mechanical analysis and lifetime prediction model cannot reflect the true behaviors of damage evolution and lifetime. In this study, the experimental technique and multi-scale lifetime prediction for PM superalloy with inclusion-included micro-cracks are investigated. Based on the self-built High Temperature Non-Contact Measuring System, physical processes and kinetics of micro-cracks are situ observed on a mesoscopic scale. The time-dependent micro-cracks growth model is developed to consider the effect of oxidation and stress relaxation at the cracks tip. A crystal plasticity constitutive model introduced oxidation damage is established and then applied to numerically simulation of the micro-crack growth under the combined effect of high temperature and cyclic loading. By defining the micro-crack on mesoscopic scale, a multi-scale lifetime prediction for PM superalloy is developed. These findings provide a theoretical basis and scientific methods for structural strength design and life estimation for turbine disc.

现代航空发动机涡轮盘主要是粉末冶金合金制造而成，而这些材料在制造过程中不可避免地存在夹杂。这些夹杂导致的微裂纹的扩展行为直接影响着涡轮盘的使用寿命。针对粉末合金的夹杂致裂微裂纹的扩展机理、规律及数值建模的研究鲜有报道，现有的力学分析方法及寿命预测技术未能真实反映材料的损伤演化行为及寿命强度。本项目对粉末合金材料夹杂致裂微裂纹损伤与寿命分析的试验技术和多尺度方法进行研究。基于自建的高温非接触式测量系统，在细观尺度上原位观察微裂纹扩展的物理过程和规律；理论推导考虑裂纹尖端应力松弛与氧化作用的时间相关微裂纹扩展模型；建立晶体塑性本构模型来描述裂纹尖端区域的应力应变场，且在本构模型中引入氧化损伤的演化规律，数值模拟高温和循环载荷耦合作用下微裂纹演化过程；通过定义细观尺度下微裂纹损伤，建立粉末合金结构微裂纹损伤演化与寿命预测的多尺度分析方法，为涡轮盘结构强度设计与寿命预估提供重要理论依据和科学方法。

项目针对镍基粉末合金普遍存在夹杂影响高温结构疲劳强度这个现象，以支撑航空发动机涡轮盘建立损伤容限设计方法为工程需求背景，采用试验的、数值的、理论的方法对粉末合金夹杂起裂后的高温小裂纹扩展行为进行了详细了研究，从不同尺度揭示了粉末合金源于多源缺陷起裂及扩展的规律，并以此建立了考虑高温环境影响的多尺度裂纹扩展模型，通过与数值方法结合，形成了对粉末合金涡轮盘源于缺陷并考虑高温小裂纹扩展效应的裂纹扩展寿命分析方法，并进行了试验验证。. 项目发展建立了基于显微光学法的高温小裂纹原位扩展实验方法，可实现室温、高温下小裂纹在单个晶粒内的扩展过程监测和完整捕获小裂纹扩展全过程，最小裂纹尺寸可识别到小于20微米。试验观察到了微小裂纹与晶粒晶界的作用，发现了小于1mm下高温小裂纹周期性停顿、跳跃扩展的规律，采用SEM/EBSD等方法研究了晶界与其的作用关系；试验还揭示高温小裂纹同样能在低于宏观裂纹扩展门槛值下扩展，整体上扩展速率分散很大，可观测到裂纹闭合现象。项目同时开展了粉末合金源自自然缺陷（缺陷尺度40微米左右）和人工缺陷（缺陷尺度400微米和800微米）的疲劳试验，特别是获得了多个温度、多个载荷、两个典型保载时间下源自人工缺陷致裂的扩展寿命结果，揭示高温下保载氧化对裂纹扩展寿命的影响。基于开展的试验，结合基于晶体塑性对裂纹尖端微观力学现象的计算认识，项目发展了考虑高温小裂纹扩展规律的多尺度裂纹扩展模型，并与Abaqus和FRANC3D软件结合，编写了可考虑高温小裂纹扩展规律的全寿命裂纹扩展数值模拟方法，并用于某型航空发动机涡轮盘的裂纹扩展分析。. 研究完成了整个研究内容，达到了项目目的；在粉末合金合金高温小裂纹扩展试验方法和建模方面，取得的突出的进展，形成了方法可用于高温结构源于微小缺陷的裂纹扩展和损伤容限设计。