一种镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法

1.本发明属于材料高温力学性能预测及航空发动机技术领域，具体涉及一种镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法。


背景技术：

2.镍基单晶高温合金广泛用于制造航空发动机和燃气轮机涡轮叶片。镍基单晶涡轮叶片在高温环境下承受离心载荷，不可避免地发生蠕变。研究表明：蠕变是镍基单晶涡轮叶片叶身部位的重要失效模式之一。因此，准确预测镍基单晶高温合金的蠕变寿命，对于镍基单晶涡轮叶片的寿命设计与评估具有重要意义。
3.在蠕变寿命预测方面，国内外学者开展了大量工作。通常基于标准件蠕变试验结果建立断裂时间与应力等的数学关系，并据此预测等温恒定载荷下的蠕变寿命。结合不同载荷下的蠕变断裂时间，基于损伤累积理论可以对随机蠕变载荷下的寿命进行预测，当(k为常数，t
ri
为在i条件下运行时的断裂时间、只取决于温度和应力的水平，ti为在i条件下的运行时间)时，认为材料达到蠕变寿命。但是，常数k不一定恒定为1(也可能是2到4)，这导致基于该方法的蠕变寿命预测结果偏差较大(李益民，束国刚，梁昌乾.电站高温部件蠕变寿命预测方法现状.热力发电，1994(2):38-44)。
4.本发明提供一种新的镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法，该方法基于基体相通道宽度-归一化时间函数方程对镍基单晶高温合金标准件在随机蠕变载荷下的剩余寿命进行预测，基体相通道宽度-归一化时间函数方程与载荷大小无关，适用于不同蠕变载荷(包括随机蠕变载荷)下的标准件剩余寿命预测。
5.由上可知，现有技术中的蠕变寿命预测方法通常针对恒定蠕变载荷下的剩余寿命进行预测，部分可预测随机蠕变载荷下剩余寿命的方法通常基于损伤累积理论，寿命预测结果精度较低。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法，可有效实现不同蠕变载荷(包括随机蠕变载荷)下的标准件剩余寿命预测，有望服务于先进航空发动机涡轮叶片蠕变寿命设计与评估。
7.本发明技术解决方案：一种镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法，该方法基于基体相通道宽度-归一化时间函数方程对镍基单晶高温合金标准件不同蠕变载荷(包括随机蠕变载荷)下的剩余寿命进行预测，具体实现步骤如下：
8.第一步，开展不同载荷下标准件全寿命蠕变试验和中断蠕变试验，基于扫描电子显微镜对蠕变不同阶段的基体相通道宽度进行测量，获取不同载荷下的基体相通道宽度-时间曲线；
9.第二步，对不同载荷下的蠕变时间进行无量纲化，获取基体相通道宽度-归一化时
间曲线；
10.第三步，拟合基体相通道宽度-归一化时间曲线获得基体相通道宽度-归一化时间函数方程；
11.第四步，对于经受随机蠕变载荷的一批标准件，选取其中部分标准件，基于扫描电子显微镜对其基体相通道宽度进行测量，获取标准件基体相通道宽度的平均值；
12.第五步，将第四步中获得的基体相通道宽度平均值带入第三步中建立的基体相通道宽度-归一化时间函数方程，获得当前经受随机蠕变载荷的标准件对应的归一化时间，结合当前标准件已经承受随机蠕变载荷的时间，可以获取该批次标准件在相同随机蠕变载荷下的剩余寿命。
13.进一步地，所述基体相通道宽度-归一化时间函数方程表示如下：
[0014][0015]
其中，w为基体相通道宽度，为归一化时间，a、b、c为材料常数。
[0016]
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明基于基体相通道宽度-归一化时间函数方程对镍基单晶高温合金标准件随机蠕变载荷下的剩余寿命进行预测，为镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测提供了一种新思路。基体相通道宽度随归一化时间的演化与载荷无关，因此基体相通道宽度-归一化时间函数方程理论上可以描述任意蠕变载荷下基体相通道宽度随归一化时间的演化规律，适用于不同蠕变载荷(包括随机蠕变载荷)下的标准件剩余寿命预测，且寿命预测结果精度较高。
附图说明
[0017]
图1为本发明的一种镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法实施流程；
[0018]
图2为镍基单晶高温合金基体相通道宽度示意图；
[0019]
图3为不同载荷下的基体相通道宽度-时间曲线；
[0020]
图4为不同载荷下的基体相通道宽度-归一化时间曲线；
[0021]
图5为基体相通道宽度-归一化时间曲线的拟合结果；
[0022]
图6为随机蠕变载荷示意图；
[0023]
图7为基体相通道宽度-归一化时间图中具有失效风险区域和临近失效区域示意图；
[0024]
图8为平均基体相通道宽度为0.16μm时的当前归一化时间预测结果及其上下限；
[0025]
图9为平均基体相通道宽度为0.16μm时的剩余寿命预测结果及其上下限；
[0026]
图10为平均基体相通道宽度为0.12μm时的当前归一化时间预测结果及其上下限；
[0027]
图11为平均基体相通道宽度为0.12μm时的剩余寿命预测结果及其上下限。
具体实施方式
[0028]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]
下面结合附图，通过举例的方式，对本发明所提出的一种镍基单晶高温合金随机蠕变载荷下的剩余寿命预测方法的技术方案做进一步说明。本例子的预研究材料为镍基单晶高温合金cmsx4。
[0030]
如图1所示，本发明的具体实施过程如下：
[0031]
第一步，开展不同载荷下标准件全寿命蠕变试验和中断蠕变试验，基于扫描电子显微镜对蠕变不同阶段的基体相通道宽度(如图2所示)进行测量，获取不同载荷下的基体相通道宽度-时间曲线(如图3所示)。
[0032]
第二步，对不同载荷下的蠕变时间进行无量纲化，获取基体相通道宽度-归一化时间曲线(如图4所示)。由图4可以看出，不同载荷下的基体相通道宽度-归一化时间曲线符合相同规律，这意味着基体相通道宽度随归一化时间的演化与载荷大小无关。
[0033]
第三步，拟合基体相通道宽度-归一化时间曲线获得基体相通道宽度-归一化时间函数方程。基体相通道宽度-归一化时间函数方程如下：
[0034][0035]
其中，w为基体相通道宽度，为归一化时间，a、b、c为材料常数。当a＝0.1295、b＝0.5694、c＝-0.0607时，基体相通道宽度-归一化时间曲线的拟合结果如图5所示。图中阴影部分涵盖了不同载荷下的基体相通道宽度测量结果，其上下边界代表采用该拟合方程进行预测时的偏差上限和下限。如前所述，基体相通道宽度随归一化时间的演化与载荷无关，因此基体相通道宽度-归一化时间函数方程理论上可以描述任意蠕变载荷下基体相通道宽度随归一化时间的演化规律。
[0036]
第四步，对于经受随机蠕变载荷(如图6所示)的一批标准件，选取其中部分标准件，基于扫描电子显微镜对其基体相通道宽度进行测量，获取标准件基体相通道宽度的平均值。
[0037]
第五步，将第四步中获得的基体相通道宽度平均值带入第三步中建立的基体相通道宽度-归一化时间函数方程，获得当前经受随机蠕变载荷的标准件对应的归一化时间，结合当前标准件已经承受随机蠕变载荷的时间，可以获取该批次标准件在相同随机蠕变载荷下的剩余寿命。
[0038]
需要指出的是，真实结构服役过程中，当具有失效风险或临近失效时，真实结构通常将不再使用。因此，本发明所提出的方法不针对具有失效风险的标准件和临近失效的标准件进行剩余寿命预测。如图7所示，当基体相通道宽度达到0.17左右时，阴影部分下边界已达到最大归一化时间，这意味着此时标准件已具有失效风险；此外，当归一化时间达到0.9时，认为此时标准件已临近失效。
[0039]
当平均基体相通道宽度为0.16μm时，基于基体相通道宽度-归一化时间函数方程可以算出此时的归一化时间为0.79，此时的计算偏差可结合图5中阴影部分的上、下边界确定(如图8所示)，考虑计算偏差后的归一化时间下限为0.60，考虑计算偏差后的归一化时间上限为0.90。假设该批次标准件已承受随机蠕变载荷的时间为200小时，则其剩余寿命为：
[0040]
200(小时)/0.79
×
(1-0.79)＝53.16(小时)
[0041]
考虑计算偏差后剩余寿命的上限为：
[0042]
200(小时)/0.60
×
(1-0.60)＝133.33(小时)
[0043]
考虑计算偏差后剩余寿命的下限为：
[0044]
200(小时)/0.90
×
(1-0.90)＝22.22(小时)
[0045]
结合考虑计算偏差后剩余寿命的上、下限可知，剩余寿命预测结果在3倍分散带内(如图9所示)。
[0046]
当平均基体相通道宽度为0.12μm时，基于基体相通道宽度-归一化时间函数方程可以算出此时的归一化时间为0.32，此时的计算偏差可结合图5中阴影部分的上、下边界确定(如图10所示)，考虑计算偏差后的归一化时间下限为0.21，考虑计算偏差后的归一化时间下限为0.44。假设该批次标准件已承受随机蠕变载荷的时间为200小时，则其剩余寿命为：
[0047]
200(小时)/0.32
×
(1-0.32)＝425.00(小时)
[0048]
考虑计算偏差后剩余寿命的上限为：
[0049]
200(小时)/0.21
×
(1-0.21)＝752.3(小时)
[0050]
考虑计算偏差后剩余寿命的下限为：
[0051]
200(小时)/0.44
×
(1-0.44)＝254.44(小时)
[0052]
结合考虑计算偏差后剩余寿命的上、下限可知，剩余寿命预测结果在2倍分散带内(如图11所示)。
[0053]
通常，当随机蠕变载荷下的寿命预测结果在3倍分散带内时，寿命预测方法被认为具有较高精度；本发明不仅能够预测不同恒定蠕变载荷下的镍基单晶高温合金剩余寿命，而且能够预测随机蠕变载荷下的镍基单晶高温合金剩余寿命。
[0054]
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。