论文摘要：基于部位显微组织差异的定向凝固涡轮叶片结构设计

定向凝固涡轮叶片具有优异的高温力学性能，近年来在燃气轮机上得到了广泛的应用。已有研究表明，在定向凝固过程中，柱状晶的生长会受到铸件几何形状的影响，导致铸件不同部位的显微组织存在差异。对于定向凝固涡轮叶片而言，显微组织的差异势必引起叶片不同部位力学性能出现差异。在叶片设计中，如何考虑部位显微组织差异的影响，是目前定向凝固涡轮叶片研制和发展过程中急需解决的问题。论文基于这一背景，开展了如下研究工作： 首先，通过真实叶片高温低周疲劳试验，发现定向凝固涡轮叶片的疲劳破坏不符合“应力最大则最易出现裂纹”的传统认识，据此推断定向凝固涡轮叶片不同部位的疲劳性能存在差异。在此基础上，开展叶片高低周复合疲劳试验研究，明确了叶片叶身根部和榫齿部位的疲劳性能的差异程度，指出定向凝固涡轮叶片的结构强度设计和寿命研究，应该综合考虑不同部位的应力场分布和疲劳性能的差异。 接着，从两个方面对定向凝固涡轮叶片不同部位疲劳性能差异问题进行分析。一方面，设计叶片不同部位的特征模拟件并开展对比试验，研究叶片疲劳性能的分布规律，指出定向凝固涡轮叶片不同部位的疲劳性能差异显著，在叶片结构设计和寿命研究中必须加以考虑。另一方面，借助数值仿真技术，研究定向凝固构件的显微组织特点，从晶粒尺度上对定向凝固涡轮叶片的疲劳破坏机理进行分析。研究发现显微组织结构对定向凝固构件的应力场分布和材料疲劳性能都存在影响，由此指出定向凝固涡轮叶片的结构强度设计和性能评估，必须从显微组织研究入手。 最后，从结构设计角度出发，建立了显微组织特征参量与材料疲劳性能的关系，通过分析典型几何过渡特征对叶片局部显微组织、疲劳性能和宏观应力场的影响，提出了定向凝固涡轮叶片的两个典型部位——缘板和叶冠的结构设计思路。 上述研究表明，在定向凝固涡轮叶片结构强度设计和寿命研究中，必须考虑部位显微组织差异的影响。本文通过对定向凝固涡轮叶片“几何” 、 “工艺” 、 “组织” 、 “性能”的相关性分析，给出了部位显微组织的控制方法和评价依据。研究结果对于定向凝固涡轮叶片设计方法的完善和寿命研究精度的提高具有重要意义。

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