● 摘要
航空发动机使用寿命主要受其热端部件所限制，而对于涡轮叶片寿命的预测最主要是把握其蠕变特性。随着材料科学在航空领域的不断进展，力学领域也不断需要对新材料建立新的本构模型为工程实践提供指导和为工程师们提供设计依据。对于最近几十年出现的镍基单晶超级合金材料高温下的蠕变特性，呈现出了与以往多晶材料截然不同的蠕变特性，其蠕变不仅与温度和载荷相关，还和晶体取向相关，这三个影响因素相互关联相互影响，给蠕变研究带来了非常复杂的局面，因此需要对蠕变的本构方程进行研究，建立模型，综合考虑这些因素对蠕变造成的影响。对于各向异性材料的力学行为存在唯象理论和晶体滑移理论的两种描述方法。本文在总结前人经验成果的基础上，从已知现象的角度，特别是微观的晶体滑移，通过宏观的方法建模，实现单晶材料和结构的蠕变分析。该模型基于晶体滑移理论，通过对应力的分解与合成，能够把单晶材料蠕变随晶体取向的影响关系清楚的描述出来；滑移系上蠕变变形随应力，温度的变化关系则通过Theta方法来构建，通过对上述两个部分的结合，完成蠕变本构模型的建立。将本构方程引入ABAQUS的UMAT材料子程序中，对单轴拉伸蠕变计算验证了该模型的蠕变模拟能力。接下来将该程序用于某型航空发动机涡轮叶片的蠕变计算，通过对单晶材料主方向、次方向与叶片的不同位置关系的蠕变计算，得到了叶片特征截面的蠕变应变以及叶尖位移随单晶取向的变化趋势。其结果表明，对于单晶材料部件，其晶体取向是蠕变的重要影响因素，在实际应用中必须考虑晶体取向对材料性能的影响，不光是单晶材料主方向，材料次方向的取向也会对结构的蠕变造成一定影响，这一结论对叶片铸造和叶片检验有一定的工程参考价值。