摘要：针对单晶气冷涡轮叶片的服役载荷特征,以镍基单晶高温合金DD6为对象,设计开展了薄壁圆管试样热机械疲劳(TMF)试验。结果表明:DD6变形响应呈现出明显的TMF棘轮效应,且与相位角、机械载荷水平等密切相关;在相同载荷条件下,同相(IP)TMF寿命总是明显短于反相(OP)。引入高温保载时间或增大机械载荷均会引起棘轮应变的明显增加,缩短结构寿命。结合断口和纵向切片分析,识别了不同载荷条件下影响单晶寿命的关键损伤因素,其中IP TMF主导损伤机理为蠕变和疲劳,而OP TMF主导损伤机理为氧化和疲劳。

摘要：针对带热障涂层涡轮叶片的工程设计需求,发展了一种热障涂层寿命预测方法。根据热障涂层系统的受载特征,建立了能够高效求解涂层各层关键力学行为的降维力学模型。通过热障涂层模拟件在经历高温长时氧化、热疲劳载荷后的剥落抗力测试,获取了涂层界面损伤的演化规律。在此基础上,对涂层总损伤进行解耦,建立了氧化-力学耦合损伤模型,提升了涂层损伤与剥落寿命的预测精度。基于上述理论模型,开发了可与现有构件设计流程相集成的热障涂层损伤分析与寿命预测软件工具,并进行了涡轮叶片算例验证。结果表明:上述方法对于热障涂层整个损伤演化过程的预测误差在±10%以内。

摘要：高温合金将涡轮前温度从1033K提升到1323K,涡轮叶片冷却结构的设计又一次将涡轮前温度提升了几百K。但从长远来看,高温合金以及冷却结构的发展使得涡轮叶片温度承受极限再一次提升几百K将极为困难。在此情形下,热障涂层(TBC)将是一种有潜力可大幅度提升涡轮前温度的技术。

摘要：分子动力学模拟是一种基于分子/原子的经典力学模型,通过数值求解体系差分方程研究材料特性的计算机模拟方法,目前已成功应用于航空发动机涡轮叶片用镍基单晶高温合金力学行为仿真,在揭示变形与损伤机理、预测力学性能等方面展现出巨大的潜力。高压涡轮叶片是航空发动机的重要零部件,在服役过程中承受着极端热力耦合载荷,可能出现掉块、断裂或丢失等现象,导致发动机无法正常运转,甚至引起重大安全性事故。镍基单晶高温合金由于其优异的高温力学性能被广泛应用于制造涡轮叶片,对镍基单晶高温合金力学行为的深刻认识和理解是突破涡轮叶片安全性设计的关键基础。

摘要：金属增材制造是增材制造技术中发展最为迅速的分支,现已广泛运用于航空航天、能源动力等领域,发展相关的数值模拟技术对深入理解其复杂物理过程与优化工艺参数具有重要的学术及工程意义。与传统减材制造(切削、磨削等)和等材制造(铸造、锻压等)的材料加工方式不同,金属增材制造依据三维计算机辅助设计(CAD)数据,通过光源或高能热源等将离散材料(粉材、丝材等)逐层累积制造实体构件,是一种自下而上叠加材料成形的“自由制造”过程,有望成为实现航空发动机等高端工业装备结构跨代提升的一条关键技术途径。

摘要：涡轮叶片应变、温度非接触测试技术克服了传统测试的干扰流场、破坏被测件等缺点,可以为热端部件结构设计与强度寿命评估提供更为可靠的技术支撑。航空发动机涡轮叶片服役时承受着复杂交变的多场耦合载荷和环境作用,在强时变、大梯度的温度场与应力场耦合作用下极易产生疲劳裂纹、掉块等故障(如图1所示),造成整机/部件性能恶化,危及发动机的安全性和可靠性。