ガスタービン翼用の単結晶超合金のマルチスケールモデリング

発売日:2021-02-26

ガスタービン翼ガスタービン用の単結晶超合金のマルチスケールモデリングは,発電及び航空機及び船舶の推進のために広く用いられている。最も強力に装荷された部品であるタービンロータ翼は単結晶ニッケル基超合金から製造されている。これらの材料の優れた高温挙動はgと0 . 5の粒子の体積率(ni 3 al)を含むg‐マトリックス(ni)からなる二相複合構造に起因する。サービスの間、最初の立方形の沈殿は、ラフティングと呼ばれる拡散ベースのプロセスによって、細長いプレートまで発展する。本研究では,微細構造形態とその発展を具体的に説明するマイクロメカニカル構成枠組みを開発した。提案したマルチスケールアプローチでは,巨視的長さスケールは有限要素(fe)計算を典型的に応用した工学レベルを特徴付ける。メソスコピック長スケールは巨視的材料点に起因する微細構造のレベルを表す。この長さスケールでは、材料は2つの異なる相の化合物と考えられ、それは専用に設計された単位セルを構成する。微視的長さスケールは個々の材料相の結晶学的レベルを反映している。これらの相の構成的挙動はこのレベルで定義される。提案した単位セルは,塑性歪勾配を集中すると仮定した特殊な界面領域を含む。これらの界面領域では,歪勾配誘起逆応力は二つの相間の格子不整合から生じる応力と同様に発達する。ユニットセルの限定されたサイズとマイクロメカニカル簡素化は、フレームワークをマルチスケールアプローチで特に効率的にします。単位セル応答は巨視的FEコード内の物質点レベルで数値的に決定され、これは詳細なFEベースの単位セル離散化よりもはるかに効率的である。非局所ひずみ勾配結晶塑性モデルを用いてマトリックス相構成挙動をシミュレーションした。このモデルでは,界面領域の歪み勾配によって誘起される幾何学的に必要な転位(gnd)の不均一分布が硬化挙動に影響する。さらに、具体的には、2相材料に対して、硬化則は、Orowan応力に関連する閾値項を含む。析出相については,沈殿せん断のメカニズムと回収ivの上昇をモデルに組み込んだ。さらに,ni 3 al金属間化合物及び他の非schmid効果の典型的な異常降伏挙動を実施し,超合金機械的応答に及ぼすそれらの影響を実証した。次に,時間依存および周期的損傷を一般的に適用可能な時間増分損傷則に統合する損傷モデルを提案した。orowan応力に基づく判定基準を導入し,転位レベル固定化機構を用いて,ミクロなレベルで滑り反転を検出し,繰返し損傷蓄積を定量化した。さらに,周期的及び時間的損傷蓄積間の相互作用をモデルに組み込んだ。広範囲の負荷条件のシミュレーションは実験結果と十分な一致を示した。ラフティングおよび粗大化過程は,いくつかの微細構造次元の発展方程式を定義することによってモデル化される。これらの式は内部エネルギーの減少と矛盾しない。劣化した材料の機械的応答をシミュレートし,実験的に観察された傾向をもって適切な一致を見いだした。最後に,ガスタービン翼有限要素解析にモデルを適用してマルチスケール能力を実証した。このことは,微細構造の変化がガスタービン部品の機械的応答に大きく影響することを示している。

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