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稀有金属材料与工程 2020年第7期49卷 2372-2379页

作者：李源才江五贵周宇南昌航空大学江西南昌330063

为了提高航空发动机推重比,采用整体叶盘新技术却带来了盘叶连接区域高风险失效问题,采用分子动力学对盘叶连接区单晶/多晶镍(SPSNi)的拉伸力学性能进行模拟。首先对比了不同晶态镍拉伸力学性能,发现由于单晶/多晶界面的存在使得拉伸后... 详细信息

为了提高航空发动机推重比,采用整体叶盘新技术却带来了盘叶连接区域高风险失效问题,采用分子动力学对盘叶连接区单晶/多晶镍(SPSNi)的拉伸力学性能进行模拟。首先对比了不同晶态镍拉伸力学性能,发现由于单晶/多晶界面的存在使得拉伸后界面处的非晶化程度加剧,易于萌生孔洞,加剧了SPSNi突然断裂的风险。最后重点研究了SPSNi的应变速率效应与温度效应。当应变速率1*10^8 s^-1

关键词：整体叶盘单晶/多晶镍应变速率效应温度效应

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单晶/多晶镍力学性能的分子动力学模拟

单晶/多晶镍力学性能的分子动力学模拟

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作者：李源才南昌航空大学

学位级别：硕士

整体叶轮结构由于具有结构简单、重量轻、高可靠性等优点,备受航空发动机研究者青睐。然而采用整体叶轮技术将不同性能指标的单晶镍涡轮叶片和多晶镍盘片连接为一个整体时,却带来了盘叶连接区高风险失效问题,严重制约了该技术的推广应... 详细信息

整体叶轮结构由于具有结构简单、重量轻、高可靠性等优点,备受航空发动机研究者青睐。然而采用整体叶轮技术将不同性能指标的单晶镍涡轮叶片和多晶镍盘片连接为一个整体时,却带来了盘叶连接区高风险失效问题,严重制约了该技术的推广应用。为此本文采用分子动力学对整体叶轮双晶态连接区单晶/多晶镍(SPSNi)的力学性能进行研究。具体研究内容如下:(1)采用EAM多体势对分子动力学模型SPSNi的轴向拉伸性能进行模拟。首先对比了不同晶态镍拉伸的原子图。结果表明:由于单晶/多晶界面的存在使得拉伸后界面处的非晶化程度加剧,易于孔洞萌生,加剧了SPSNi突然断裂的风险。最后重点研究了SPSNi拉伸性能的应变速率效应与温度效应。当应变速率大于10s小于10 s时,SPSNi拉伸性能对加载应变率几乎不敏感,抗拉强度小幅上升。超过10 s之后,其抗拉强度随着应变速率的增加而迅速下降。这是因为在高应变速率下,SPSNi的FCC原子大规模迅速转变为无序的非晶结构,导致了晶体镍承载能力迅速下降。可以将应变速率10 s作为SPSNi拉伸变形的阈值。不同温度下,SPSNi抗拉强度随温度的增大而线性下降。这是由于在温度的影响下,位错网络的初始镶嵌结构逐渐变得不规则,初始失配应力随着温度的升高而下降。(2)运用EAM多体势对分子动力学模型SPSNi的剪切性能进行模拟。首先讨论了不同晶态镍的剪切性能,相比于单晶Ni,由于多晶Ni的加入,单晶/多晶Ni复合体的整体剪切应力水平有所下降,其剪切强度显著小于单晶Ni的剪切强度。还发现不同晶态镍剪切变形进入塑性阶段后,出现类似于宏观材料颈缩现象,靠近颈缩区的原子发生局部错动、重排以及非晶化,易造成断裂。最后重点研究了SPSNi的剪切速率效应与温度效应。结果表明一定范围内,随着剪切速率的增加,SPSNi的剪切模量逐渐增大。而随着温度升高,SPSNi剪切模量呈现下降趋势。(3)通过EAM多体势研究纳米孔洞对分子动力学模型SPSNi拉伸性能的影响。结果表明:相比于多晶镍(PNi),SNi的加入能够提高SPSNi的抗拉强度。对比孔洞位置分布对SPSNi拉伸性能影响,发现当孔洞处于单晶位置时,显著加大了SPSNi界面断裂的风险。相反,孔洞处于多晶时,界面处的SNi侧阻碍了多晶侧非晶化的传播,抑制了孔洞向界面扩展。另外,在整体叶盘制备过程中,如果单晶/多晶复合体单晶一侧存在细小的孔洞缺陷,更易导致整体叶盘盘叶结合区拉伸性能下降,从而增加整体叶盘突然断裂的风险。最后重点讨论了界面预制孔洞孔隙率对SPSNi拉伸性能的影响,模拟结果表明,当孔隙率达到0.8%以上时,SPSNi的抗拉强度迅速下降。当保持界面孔洞孔隙率0.8%不变增加孔洞数量时,SPSNi弹性模量逐渐上升。表明SPSNi对界面球形较小孔洞并不敏感,仍具有较好的力学性能。

关键词：整体叶轮单晶/多晶镍拉伸剪切预制孔洞分子动力学

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