航空动力学报
JOURNAL OF AEROSPACE POWER
1998年  第13卷  第1期科技期刊

单晶材料涡轮叶片的循环蠕变分析*

北京航空航天大学 饶寿期**   孟春玲 吴 斌
【摘要】  对DD3材料单晶涡轮叶片进行了应力循环和应力、温度同时循环下蠕变
计算，得到了叶片在两种情况下的循环蠕变结果，并对两种结果和静态蠕变作了对
比分析，从而为了解叶片在实际变工况下的循环蠕变行为提供了理论依据。
主题词：  单晶  涡轮  叶片  蠕变
分类号：  V232.4

１  概  述

    航空发动机热部件重要结构设计准则之一是要提供足够的蠕变／应力断裂寿命，
即防止过大的蠕变变形和蠕变应力断裂。在结构完整性的军用标准中，规定为：在
金属工作温度下和在此温度的持续时间内，设计应力不得超过0.2%蠕变强度最低许
用值［1］。由于蠕变是与时间有关的不可恢复的塑性变形，而叶片的蠕变损伤是累
积损伤。发动机是在多种变工况下工作的。因此，预测发动机涡轮叶片的蠕变寿命
时，必须研究发动机在变动温度和变动应力下的循环蠕变特性。这种蠕变特性与恒
定温度和恒定载荷下的静态蠕变特性相比，不同材料，其结论不同。试验表明，有
些材料循环蠕变的断裂寿命会缩短，蠕变量增加；有些材料的寿命反而会增加。针
对我国自行设计的单晶涡轮叶片进行了循环蠕变计算分析，并与静态蠕变作了对比，
这对单晶叶片的设计分析是有参考意义的。

２  DD3单晶材料的本构方程和屈服准则

    DD3材料为正交各向异性材料，其正交各向异性体现在材料特性为方向的函数，
若X、Y、Z方向与弹性主轴方向一致，则正交各向异性材料的本构方程有9个独立的
弹性常数，而DD3单晶材料为面心立方晶体，在(100)，(010)，(001)三个方向上具
有完全相同的力学特性，即有：

Ex=Ey=Ez ， μxy=μyz=μzx ， Gxy=Gyz=Gzx

所以DD3单晶材料应有3个独立的弹性常数E，μ，G。E，μ，G等可由材料手册查得。

    非线性循环蠕变分析是在正交各向异性材料热弹性蠕变计算基础上进行的。非线
性蠕变计算是根据希尔理论及其相应的屈服函数和流动法则进行的。其屈服函数为：

＝［σ2x+σ2y+σ2z-σzσx-σxσy-σyσz+A（τ2yz+τ2zx+τ2zy）］1/2

式中，A=L/F，可由(001)，(111)方向的拉伸屈服应力和剪切屈服应力来确定。

３  有限元计算

    DD3单晶涡轮叶片，叶高为24 mm，本文在对该叶片进行有限元计算时，采用三维8
节点等参元。

表1 DD3蠕变常数
温度(℃)Anp
760
850
10004.96508E-16
9.72280E-15
2.51148E-144.0588
4.1382
4.64910.4047
0.3573
0.2782

    叶片所承受的载荷有转速为45000 r/min的离心力；叶片的不均匀温度场引起的
热应力。叶片1～7截面上的温度(单位：℃)依次为：892.4，931.6，942.1，930.7，
897.8，825.9，679.0。

    考虑叶片的实际工作条件，叶片循环蠕变的载荷谱如图1所示。

图1 循环载荷谱
    经过试验拟合和修正后的DD3材料的蠕变常数如表1所示［2］。

４ 计算结果和分析

(1)叶片在各个时间的最大Z向位移见表2。

表2 叶片Z向最大位移uzmax(单位：mm)
时间(h)0.11.01050100200300
应力循环
双重循环
静态蠕变0.4176
0.4178
0.41830.4183
0.4184
0.41940.4204
0.4204
0.42150.4222
0.4222
0.42480.4232
0.4232
0.42600.4245
0.4245
0.42910.4254
0.4254
0.4309

    可以看出，两种循环计算结果完全一致，Z向位移主要是由静应力产生的，循环蠕
变引起的位移较小。

    (2)叶身1/3叶高处循环下的应力和蠕变应变计算结果如图2和图3所示。

    由此可以看出，两种计算结果非常吻合，一旦加载，就会产生蠕变应变和应力松
弛现象，卸载后，蠕变应变随即停止，再加载后的蠕变应变速率明显降低。

    (3)图4和图5为叶片中截面循环蠕变300小时的应力松弛和等效应变曲线的包络线。

    由此可以看出，节点等效蠕变应变的包络线基本符合蠕变规律，有明显的第1，2阶
段，开始蠕变速度较快，之后，蠕变速度明显降低，在蠕变300小时时，两种循环蠕变应
变达到0.1%左右。

图2  147节点的等效应力―时间曲线           图3  147节点的等效蠕变应变―时间曲线

图4 115节点在3种循环情况下等效蠕变应变―时间曲线
图5 115节点在3种蠕变情况下等效应力―时间曲线

    在实际的循环蠕变中，载荷中断和产生蠕变应变的恢复现象，再重复加载，又会观察
到蠕变的加速，即瞬变现象，而在计算中，没有考虑这两种现象，所以，计算结果会有一
定的误差，又由文献［3］可知，一般情况下，循环试验下的蠕变变形大于计算的蠕变变形，
计算结果往往偏低，这样在进行蠕变寿命分析时，应该增大安全储备系数。

*本文系航空科学基金资助项目，编号：96C51053

男  62岁  教授  北京航空航天大学405教研室  100083
参考文献
1美国军用标准．发动机结构完整性大纲．MIL-STD-1783，1984
2孟春玲等．单晶叶片材料蠕变试验研究．CSAA第八届航空发动机结构强度振动
学术会议文集，西安：1996
3［苏］伊・阿・华尔盖尔等著．燃气涡轮发动机材料和零件的结构强度．北京：航
空工业出版社，1990

1997年3月收稿；1997年5月收到修改稿。

（责任编辑  杨再荣）
