曲面-曲面接触下镍基单晶涡轮叶片榫头高温微动疲劳损伤失效和优化设计方法

Traditional fir-tree tenon/mortise structure with the state of high stress gradient resulting from plane-plane contact is susceptible to cracking and causing fretting fatigue failure. This tenon/mortise structure with plane-plane contact reduces nickel-based single crystal turbine blade life seriously. Arc tenon/mortise structure with surface-surface contact is invented to avoid the problem of traditional tenon/mortise structure, which has become the development trend of aero engine. In this project, arc tenon/mortise structure is introduced into the connection of nickel-based single crystal blades and turbine disk. Firstly, focus on the microstructure and crystal orientation correlation characteristics, high temperature fretting fatigue damage failure mechanism of nickel-based single crystal alloy contacted by powder metallurgy is researched. Secondly, influence mechanism of surface-surface contact on structure fretting fatigue is studied. On basis of researches above, the high temperature fretting fatigue damage failure mechanism of nickel-based single crystal blade tenon contact by turbine disk is revealed and life prediction model is researched. Finally, the high accuracy and fast optimization method of arc tenon/mortise structure considering teeth gap is researched. This research will enrich and improve the theory of high temperature fretting fatigue failure analysis and design of nickel-based single crystal blades and turbine disk arc tenon/mortise structure, which supports for high performance aero engine design.

平面-平面接触的传统枞树形榫连接结构导致接触边缘处于高应力梯度状态，容易引起裂纹形核并形成微动疲劳失效，严重降低了镍基单晶涡轮叶片的使用寿命；针对此发展的弧形榫连接结构（采用曲面-曲面接触），由于其出色的抗微动疲劳能力业已成为航空发动机榫连接结构的发展趋势。本项目将弧形榫连接结构引入到镍基单晶叶片/粉末盘连接中，围绕镍基单晶合金微观结构和晶体取向相关性的特点，从粉末冶金接触下镍基单晶合金高温微动疲劳损伤失效出发，研究曲面-曲面接触对结构微动疲劳的影响机制，揭示粉末盘接触下镍基单晶涡轮叶片弧形榫头高温微动疲劳损伤失效机理，建立服役环境下弧形榫头高温微动疲劳寿命模型，并提出考虑齿间配合间隙的弧形枞树榫连接结构高精度快速优化设计方法。本项目的研究将丰富和完善镍基单晶叶片/粉末盘弧形枞树榫连接结构高温微动疲劳失效评估与设计方法，为高性能航空发动机的设计提供理论基础。

平面-平面接触的传统枞树形榫连接结构导致接触边缘处于高应力梯度状态，容易引起裂纹形核并形成微动疲劳失效，严重降低了镍基单晶涡轮叶片的使用寿命。本项目将弧形榫连接结构引入到DD6镍基单晶叶片/FGH96粉末盘连接中，围绕镍基单晶合金微观结构和晶体取向相关性的特点，研究了粉末冶金接触下镍基单晶合金高温微动疲劳损伤失效行为，研究了曲面-曲面接触对结构微动疲劳的影响机制，揭示了粉末盘接触下镍基单晶涡轮叶片弧形榫头高温微动疲劳损伤失效机理，建立了服役环境下弧形榫头高温微动疲劳寿命模型，并提出了考虑齿间配合间隙的弧形枞树榫连接结构高精度快速优化设计方法。结果表明粉末冶金接触下镍基单晶合金会沿八面体滑移系开动并萌生裂纹，接触表面伴随着材料分层、剥离、微裂纹等多种磨损损伤失效特征，晶体滑移和磨损是导致镍基单晶合金发生微动疲劳失效的主要原因。此外，接触面形状直接影响接触应力的分布与相对滑移量的大小，通过开展5种不同接触形式下的燕尾型榫连接结构微动疲劳分析，结果显示圆弧-圆弧接触下的弧形榫头分切应力最低，微动疲劳寿命最高，其抗微动疲劳能力最强。通过综合考虑滑移系开动以及磨损对微动疲劳损伤的影响，提出了基于分切应力及耗散能的微动疲劳损伤因子RA来表征镍基单晶合金的微动疲劳损伤，并形成相应的微动疲劳寿命预测方法，预测的微动疲劳寿命结果与试验结果吻合良好。基于弧形枞树榫连接结构高精度网格模型，利用网格变形技术实现了齿间间隙、接触面形状等的控制，进而建立了考虑配合间隙的弧形枞树榫连接结构的优化设计方法，优化后榫头最大应力降低了5.63%，寿命提高了38.31%。本项目的研究将丰富和完善镍基单晶叶片/粉末盘弧形枞树榫连接结构高温微动疲劳失效评估与设计方法，为高性能航空发动机的设计提供理论基础。