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1、 在镍系超耐热不锈钢燃气轮机叶片显微结构的损伤评估分形分析镍基高温合金被用作涡轮盘和叶片材料，其中蠕变，疲劳和蠕变疲劳是重要的损伤机理这些合金力学性能依赖于大量的 y-y 的微观结构以及沿晶界碳化物的沉淀 相的分布取决于化学组成，操作温度和服务曝光的长度.在服务接触,损伤逐渐累积,微观结构变化的形态特征,需要利用金相技术评估.通常，导致机械性能的劣化损伤的程度是由硬度测量量化,硬度的变化是通过识别碳化物的析出关联与在光学金相检验图像的形态学特征,立方形的 和结构性变化发生在矩阵.在本文中,我们报告 insitu 公司金相图像的分形维数可以关联的渐进损伤积累在不同位置叶片2013 年 Elsev
2、ier 公司出版。由英迪拉甘地中心原子研究的负责选择和同行审查。关键词:显微结构的损害;镍系高温合金;蠕变; 分形;图像分析引言用于涡轮机的剩余寿命评估（ RLA ） ，结构损伤评估是由微观结构分析1 通过硬度测量。高温性能的恶化是与相关的 定向粗化的形成“沉淀称为漂流，在高压涡轮转子（ HPTR ）的微观结构叶片采用镍基高温合金制造。筏体结构的形成是一个衡量在涡轮叶片使用寿命期间蠕变损伤过程中的。为了测量的蠕变损伤的程度，除了硬度测量，当务之急是对显微组织损伤的定量方法，这种定量金相技术可以用作诊断工具对组件的健康评估，硬度的变化是通过识别碳化物的析出关联与在光学金相检验图像的形态学特征。立
3、方形的 和结构性变化发生在矩阵可量化使用先进的图像分析技术2.本文报道一种分形(3 、4)基于图像分析的定量方法基于显微结构的损伤评估铸造镍超耐热不锈钢用于燃气轮机的应用程序。微观结构的损害是由分形维数（FD ） ，这是在所述叶片的各个位置相关的渐进累积损伤量化.基于分形的量化方法演变的自相似性和自亲和自然对象的概念。显微结构的图像还包含统计自仿射分形模式(5、6)特征的分形维数 fd 仍然在一定长度尺度不变. .2013年 Elsevier Ltd 出版。英迪拉甘地中心原子研究的负责评审。实验细节2.1组件、材料和操作步骤在这项研究中所使用的 HPTR 叶片从一个特定类型的航空发动机被撤销。
4、对这些叶片进行了定向凝固和 mcraly ni-base 高温合金涂层。叶片材料的组成列于表1。九片叶片的各种服务风险介乎7小时至500小时进行了表征，以产生微观结构的数据库进行对比研究，并建立发动机工况作为一种辅助手段，故障分析 7 。表格1 叶片材料的标称组成图1显示了叶片指示的切片采用显微结构的调查。叶片的根部被标记为0.0和微观结构沿叶片轴线的纵向截面研究，作为距离从叶片根部高达尖端的函数。叶片被分为两个区：冷区和热区，而冷区是从叶片的根部约10mm，其余部分是热区域如由制造商指定其暴露于高温.图1。hptr 叶片指示线的切片显微结构的研究。2.2显微结构的研究在操作照射过程中,温度变
5、化以及叶片的长度创建分级微观结构损伤评估检查。由于叶片的根源是影响最小,在这个位置被认为是损伤和组织代表的原始材料。在距叶片根部不同距离处的比较评估给出了损伤梯度的指示。金相检验、样本抛光和蚀刻在镍铬钛合金试剂和5000 x 捕获的图像使用扫描电子显微镜(sem)。在基于 ni 的超级合金的微观结构,两个突出特征(8、9、10)或阶段,描述了损伤在服务风险敞口(1)tcp 阶段和(2) 沉淀。在表2中给出这些阶段和其形态学变化的影响。表2。阶段造成的损害基于 ni 的超合金 从每个叶片，金相样品取自五个地点： 0五毫米，8毫米，12毫米和17毫米并从根区域。图2显示了一个典型的微观结构对应于四
6、个地点叶片暴光最大限度延长使用寿命。图2。微观结构的最大操作曝光叶片位置:(a),(b)5毫米,(c)12毫米和(d)从根17毫米。可以看出在根区域的微观结构由立方形的 y-matrix 沉淀构成。在 5毫米的距离,粗化或合并 沉淀是最小的。12毫米和17毫米的距离，由于长期暴露照射，precipitates 的定向粗化的影响而成的发达筏结构。如果叶片是照射超出推荐温度更长时间的相似结构也可以找到。3.分形分析通过 SEM 获得的显微图像的分形分析，重标极差（ R / S ） 6,11 方法已使用。rs 分形分析方法计算赫斯特指数10任何不规则的表面特性或图像。赫斯特指数 ,h 本质上是地形维
7、度之间的区别,dt 和分形维数 ,fd 以来即 h = dt fd 1 h 在0和1之间的范围。完全随机的现象由 h 等于0.5来表示。当 h 0.5的现象被认为是持久性的性质。在微观结构的图像的情况下，复杂的功能产生抗持久行为和分形维数大于2.5 。对镍基高温合金，相对于从微观服务公开样本采取的处女微会给更高的分形维数。来计算从一个微观结构图像的分形维数的 fd ，有必要定义图像基于可测量的量相对于定量的尺度，使得所测量的量和比例，被称为理查森积12，可之间的对数的相关性获得.一些相关的图像的可测量的量的是功率，能量或类似的范围内，标准偏差，平均值，方差或类似的重新缩放的范围等的复合统计参数
8、统计参数,天秤是频率或波数，水平，盒维数等。对于一维信号,x(t),平均偏差计算一段长度,k,数据系列,其中 fd = dt 的1小时。一维空间或时间序列 DT = 1和二维图像 DT = 2 。等式（1）和（2）可以通过将其分成4升方用于从（ nn 个）的图像计算 ,段其中 l 是水平分割和段长度 k为 N/2L 。4.结果与分析样品从六个刀片以不同的暴露时间和从五个位置的微观结构的分形分析已经进行了。图3示出分形维数与服务暴露于从叶片的不同位置采集的样品的变化,较高的分形维数（FD ）对应于处女微观结构在叶片根部和 FD 值逐渐与服务曝光减小.数小时的曝光照射图3。分形维数的变化与曝光照射
9、与服务接触分形维数的变化显示出非线性的趋势，尤其是从根从8毫米的样品采取的微观结构。这可能是由于微观结构的图像的高度随机性，然而，分形维数变化的线性拟合做是为了获得从不同的位置采取微观的梯度（D （ FD） /与服务接触分形维数 DT 即变化） 。图4示出分形梯度的具有空间位置的变化。 在毫米根部的距离图4。分形的变化梯度的空间位置分形梯度是显著高为对应于该区域超过8毫米的叶片根部的微观结构,考虑到分形梯度为损坏的参数，由于维修曝光，可以注意到，直到5mm，则伤害是比其余部分低。这将有可能关联硬度变化的距离和可与分形梯度相关联，以制定一个健康评估协议。使用分形维数的优势是,显微结构的评估是定量
10、和定性的分形梯度给的相关结果。5结论在本文中，基于分形数学的一个新方法已被报道用于定量金相组织，以确定在航空发动机涡轮叶片用铸造镍基高温合金的损害程度。损害的程度是成反比的分形维数。使用分形维数的优势是显微结构的评估量化,它可以用作诊断工具对组件的健康评估.参考文献1.M.Sujata, M.Madan, K.Raghavendra, M.A.Venkataswamy, S.K.Bhaumik,工程失效分析。17(2010)14361446.2.M.Tarafder, I.Dlouhy, S.Hore and S.K.Das, 基于分形微结构损伤评估，镍基高温合金燃气轮机叶片，新的损伤和结构件
11、，由教授主编故障分析。pp 253-261, 20123.A.Balankin, D.Morales, G.Mancilla, O.Nsusarrey, I. Campos, Int. J. of Fracture,106, 2000, L21.4.B.B.Mandlebrot,自然界的分形几何 W.H.Freeman 纽约19835.M.Tarafder, I.Chattoraj, S.Tarafder and M.Nasipuri, 材料科学与技术 .25(2009)542-548.6M.Tarafder, Ph.D Thesis 贾达普大学20087.M.Madan, K.Raghave
12、ndra, K.Sujata, M.A.Venkataswamy, S.K.Bhaumik,对 RD- 33航空发动机的 HPTR 叶片显微结构的研究，CSIR - NAL 技术报告无 MT-FA-1098-07-20088.高温合金 II - 高温材料用于航空航天和工业电源 John Wiley & Sons, 纽约19879W.Betteridge, S.W.S.Shaw 高温合金的发展，材料科学与技术 3(1987)682.10.Furrer David and J.O.M.Fecht hans, January 1999, 1411.H.Hurst, Trans. Amer.Soc. Civil. Engrs.,116(1951)770.12 M.S.Taqqu, V.Teverovsky, W.Willinge 假设长期依赖: 一个实证研究 3(1995)785.
