【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机，特别地，涉及一种镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法。
技术介绍
1、白斑是碳化物及碳化物形成元素或强化元素减少而形成的负偏析，经腐蚀后为浅色区域。白斑又可分为分离状白斑、树枝状白斑和凝固状白斑。分离状白斑亮色，与基体有明显的边界，通常出现在坯料横断面的1/2半径至中心处，其晶体尺寸大于或等于基体，硬度低于基体。树枝状白斑，呈树枝晶形式，与基体间有一个扩散型的界面，通常存在于坯料的中心区。分离状和树枝状白斑产生原因为：真空自耗重熔中锭冠掉落、电极掉落。树枝状白斑中nb、ti和al等元素的贫化程度小于分离状白斑，无夹杂物伴生，较干净。凝固状白斑出现在钢锭的底部区域(表面至1/2r处），它与基体的界面不清晰，呈线状、环状或钩状，过去也称为白腐蚀点、小白斑、白圈等。产生原因为凝固速度减缓。凝固状白斑中，元素的贫化很小。目前研究表明树枝状白斑和凝固状白斑对高温合金性能影响不大，并且通过三重熔炼工艺和凝固条件的控制，能够很好的消除类似的缺陷。
2、有研究认为分离状白斑的晶体尺寸与基体差异过大时，会降低材料的低周疲劳寿命。并且，当分离状白斑产生时包含了碳化物或其他杂质时，会形成“脏白斑”。“脏白斑”的存在严重影响了高温合金的低周疲劳寿命。2016年10月28日一家由芝加哥飞往迈阿密的aa383 航班任务的飞机在起飞时，发动机二级高压涡轮盘断裂引起严重事故。事后调查发现该盘盘心裂纹源上存在一个3.81mm×2.54mm的脏白斑，该缺陷的存在使盘的实际使用寿命下降了三分之一。
3、该起因脏白斑
4、脏白斑缺陷存在于镍基变形高温合金表面时，极易被无损检测手段检出，一般作为内部材料缺陷存在于轮盘限寿件中，采用表面缺陷损伤容限设计方法不符合客观事实。脏白斑存在一定裂纹萌生寿命，现有方法直接将脏白斑等效为裂纹进行分析可能导致过于保守的结果。现阶段尚不存在公认的满足适航要求的镍基高温合金轮盘脏白斑缺陷的损伤容限设计方法。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，以解决现有方法直接将脏白斑等效为裂纹进行分析可能导致结果过于保守从而无法满足适航要求的技术问题。
2、根据本专利技术的一个方面，提供一种镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，包括以下步骤：
3、步骤1：根据发动机参考循环，对镍基高温合金轮盘进行应力分析，获取轮盘第一主应力分布，将第一主应力最大点的近表面位置选定为脏白斑部位；
4、步骤2：制备含脏白斑缺陷的疲劳试样，通过低循环疲劳试验确定含脏白斑缺陷试样的脏白斑裂纹萌生寿命；
5、所述含脏白斑缺陷试样的脏白斑裂纹萌生寿命的获取方法包括以下步骤：
6、步骤2.1：通过低循环疲劳试验获取含脏白斑缺陷的疲劳试样的疲劳寿命；
7、步骤2.2：建立高温合金疲劳试样有限元模型，植入与目标脏白斑位置、尺寸相同的初始裂纹，采用与步骤2.1相同的荷载条件进行断裂力学仿真，获取脏白斑同尺寸的裂纹试样扩展寿命；
8、步骤2.3：脏白斑裂纹萌生寿命为含脏白斑试样的疲劳寿命减去脏白斑同尺寸的裂纹试样扩展寿命所得；
9、步骤3：对轮盘第一主应力最大点的近表面位置存在脏白斑缺陷开展裂纹扩展分析，计算脏白斑扩展至轮盘失稳时对应的裂纹扩展寿命；
10、步骤4：以步骤2中含脏白斑缺陷试样的脏白斑裂纹萌生寿命与步骤3中轮盘第一主应力最大点近表面位置的脏白斑缺陷裂纹扩展寿命之和作为镍基高温合金轮盘含脏白斑缺陷的疲劳寿命。
11、进一步的，所述步骤1中应力分析包括对镍基高温合金轮盘进行二维瞬态应力计算，得到参考循环过程中轮盘第一主应力最大出现时刻，选取该时刻对轮盘进行三维应力分析。
12、进一步的，所述低循环疲劳试验以可检最小脏白斑尺寸作为损伤容限分析的初始裂纹尺寸进行试验，建立不同应力水平下脏白斑裂纹萌生寿命数据库。
13、进一步的，所述镍基高温合金轮盘含脏白斑缺陷的疲劳寿命大于设计寿命或者两倍检修周期，则该轮盘具备脏白斑损伤容限能力。
14、进一步的，所述步骤2中含脏白斑缺陷的疲劳试样的制备方法包括：切割高温合金棒料，将脏白斑缺陷材料植入，再通过焊接、热等静压，获得确定尺寸的脏白斑植入高温合金棒料，通过锻造、机加工获得该尺寸脏白斑缺陷的疲劳试样。
15、进一步的，所述脏白斑缺陷材料的制备方法，包括以下步骤：
16、s1：第一次熔炼：将母合金原料ni、fe、c、mo、cr、nb装入容器，抽真空，升温使原料熔化后进行精炼，降温至表面结膜，结膜后冲膜，再加入上装料al、ti进行化料，化料后浇铸，得母合金；
17、s2：第二次熔炼：将夹杂物原料用镍箔进行包裹放置于坩埚底部，母合金放置于夹杂物上方，抽真空进行化料，原料熔化后浇铸，得到脏白斑缺陷材料。
18、进一步的，所述母合金原料的用量为50.0-55.0wt%ni、0.02-0.06wt%c、2.8-3.3wt%mo、17-21wt%cr、2.5-4.5wt%nb，余量为fe；
19、上装料al、ti的用量分别为0.2-0.8wt%al、0.65-1.15wt%ti。
20、进一步的，所述夹杂物原料的用量为脏白斑缺陷材料重量的10-20%。
21、进一步的，所述步骤s1中合金精炼温度为1500-1540℃，精炼时间为5-20分钟，浇铸温度为1400-1450℃。
22、进一步的，所述步骤s2中夹杂物原料为莫来石粉末和氧化镁粉末，夹杂物原料的用量为铸锭重量的10-20%。
23、本专利技术具有以下有益效果：
24、1.本专利技术以含脏白斑缺陷试样的裂纹萌生寿命与轮盘第一主应力最大点近表面位置的脏白斑缺陷裂纹扩展寿命之和作为轮盘含脏白斑缺陷的疲劳寿命，从而评估镍基变形高温合金对于脏白斑缺陷的损伤容限能力，补充了现有技术的空白。本专利技术已成功应用于某民用涡轴发动机镍基变形高温合金轮盘限寿件脏白斑缺陷的损伤容限评估。
25、2.采用本专利技术脏白斑缺陷材料的制备方法可较为方便、可控的获取含有均匀分布的夹杂物的脏白斑材料，为后续开展材料缺陷数据累积、缺陷检出概率等研究，提供材料基础，同时也为我国航空发动机的自主适航体系的建立提供理论和材料支撑。
26、除了上面本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述步骤1中应力分析包括对镍基高温合金轮盘进行二维瞬态应力计算，得到参考循环过程中轮盘第一主应力最大出现时刻，选取该时刻对轮盘进行三维应力分析。
3.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述低循环疲劳试验以可检最小脏白斑尺寸作为损伤容限分析的初始裂纹尺寸进行试验，建立不同应力水平下脏白斑裂纹萌生寿命数据库。
4.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述镍基高温合金轮盘含脏白斑缺陷的疲劳寿命大于设计寿命或者两倍检修周期，则该轮盘具备脏白斑损伤容限能力。
5.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述步骤2中含脏白斑缺陷的疲劳试样的制备方法包括：切割高温合金棒料，将脏白斑缺陷材料植入，再通过焊接、热等静压，获得确定尺寸的脏白斑植入高温合金棒料，通过锻造、机加工获得该尺寸脏白斑缺陷的疲
6.根据权利要求5所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述脏白斑缺陷材料的制备方法，包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述母合金原料的用量为50.0-55.0wt%Ni、0.02-0.06wt%C、2.8-3.3wt%Mo、17-21wt%Cr、2.5-4.5wt%Nb，余量为Fe；
8.根据权利要求6所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述夹杂物原料的用量为脏白斑缺陷材料重量的10-20%。
9.根据权利要求6所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述步骤S1中合金精炼温度为1500-1540℃，精炼时间为5-20分钟，浇铸温度为1400-1450℃。
10.根据权利要求6所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述步骤S2中夹杂物原料为莫来石粉末和氧化镁粉末，夹杂物原料的用量为铸锭重量的10-20%。
...【技术特征摘要】
1.一种镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述步骤1中应力分析包括对镍基高温合金轮盘进行二维瞬态应力计算，得到参考循环过程中轮盘第一主应力最大出现时刻，选取该时刻对轮盘进行三维应力分析。
3.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述低循环疲劳试验以可检最小脏白斑尺寸作为损伤容限分析的初始裂纹尺寸进行试验，建立不同应力水平下脏白斑裂纹萌生寿命数据库。
4.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述镍基高温合金轮盘含脏白斑缺陷的疲劳寿命大于设计寿命或者两倍检修周期，则该轮盘具备脏白斑损伤容限能力。
5.根据权利要求1所述的镍基高温合金脏白斑缺陷损伤容限设计方法，其特征在于，所述步骤2中含脏白斑缺陷的疲劳试样的制备方法包括：切割高温合金棒料，将脏白斑缺陷材料植入，再通过焊接、热等静压，获得确定尺寸的脏白斑植入高温合金棒料，通过锻...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宗晖，熊望骄，张弓，王建方，李概奇，甄博，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。