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燃气轮机叶片单晶高温合金的多尺度建模

日期: 2021-02-26
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燃气轮机叶片的单晶高温合金的多尺度建模燃气轮机广泛用于发电以及飞机和船舶的推进。它们最重的零件,即涡轮转子叶片,是由单晶镍基高温合金制成的。这些材料优异的高温性能归因于两相复合微观结构,该结构由包含大量g'-颗粒(Ni3Al)的g-基体(Ni)组成。在使用过程中,最初的长方体沉淀物通过称为漂流的基于扩散的过程演化为细长板。在这项工作中,开发了一种微机械的本构框架,专门考虑了微结构的形态及其演化。在拟议的多尺度方法中,宏观长度标度表征了通常应用有限元(FE)计算的工程水平。介观长度尺度代表归因于宏观材料点的微观结构的水平。在这种长度尺度下,该材料被认为是两个不同相的混合物,它们构成了专门设计的晶胞。微观长度尺度反映了各个材料相的晶体学水平。在此级别上定义了这些阶段的本构行为。拟议的单元格包含特殊的界面区域,其中塑性应变梯度被认为是集中的。在这些界面区域中,会产生由应变梯度引起的背应力以及源自两相之间晶格失配的应力。晶胞的有限尺寸和微机械简化使得该框架在多尺度方法中特别有效。晶胞响应是在宏观FE代码内的实质点级别上以数字方式确定的,这在计算上比详细的基于FE的晶胞离散化要有效得多。通过使用非局部应变梯度晶体可塑性模型来模拟基体相的本构行为。在该模型中,界面区域的应变梯度引起的几何必要位错(GND)的不均匀分布会影响硬化行为。此外,特别是对于感兴趣的两相材料,硬化定律包含与Orowan应力有关的阈值项。对于沉淀相,iv总结爬升的机理被纳入模型。此外,还实现了Ni3Al-金属间化合物的典型反常屈服行为和其他非Schmid效应,并证明了它们对超合金机械响应的影响。接下来,提出了一种损坏模型,该模型将与时间有关的和周期性的损坏整合到了通常适用的按时间递增的损坏规则中。引入了基于Orowan应力的判据,以在微观水平上检测滑移逆转,并使用位错环固定机制量化了循环损伤的累积量。此外,模型中包含了循环损伤和时间依赖性损伤累积之间的相互作用。各种负载条件下的仿真结果均与实验结果充分吻合。通过为几个微观结构尺寸定义演化方程,可以对漂流和粗化过程进行建模。这些方程式与内部能量的减少是一致的,内部能量的减少通常被认为是降解过程的驱动力。模拟了降解材料的机械响应,并与实验观察到的趋势找到了足够的一致性。最后,通过将模型应用于燃气轮机叶片有限元分析,证明了多尺度能力。这表明,微观结构的变化极大地影响了燃气轮机部件的机械响应。通常将其视为降解过程的驱动力。模拟了降解材料的机械响应,并与实验观察到的趋势找到了足够的一致性。最后,通过将模型应用于燃气轮机叶片有限元分析,证明了多尺度能力。这表明,微观结构的变化极大地影响了燃气轮机部件的机械响应。通常将其视为降解过程的驱动力。模拟了降解材料的机械响应,并与实验观察到的趋势找到了足够的一致性。最后,通过将模型应用于燃气轮机叶片有限元分析,证明了多尺度能力。这表明,微观结构的变化极大地影响了燃气轮机部件的机械响应。


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