GH4738高溫合金渦輪盤剩余壽命預(yù)測(cè)
GH4738是y'相沉淀硬化型鎳基高溫合金，廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力機(jī)械中的渦輪盤及渦輪葉片，該合金的最大優(yōu)點(diǎn)在于良好的強(qiáng)韌性匹配。盡管近年來(lái)研制出許多用于煙氣輪機(jī)材料的新型難變形高溫合金，如U720Li、SI1742、-K79、Rene’95、Rene'88DT等，但由于該合金良好的熱加工性及在長(zhǎng)期服役條件下優(yōu)良的綜合性能，仍是大功率煙氣輪機(jī)熱端部件的主要材料。
材料的蠕變斷裂壽命（或持久壽命）是高溫合金重要性能參數(shù)之一，科學(xué)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)合金的蠕變斷裂壽命對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的運(yùn)行及新產(chǎn)品的開發(fā)具有重要意義。目前，有很多關(guān)于高溫材料蠕變斷裂壽命的研究報(bào)道，但關(guān)于高溫合金長(zhǎng)期運(yùn)行后剩余壽命的研究相對(duì)較少。陳國(guó)良等利用θ法研究了GH2132合金盤材的蠕變剩余壽命，周昌玉等提出了高溫構(gòu)件疲勞剩余壽命評(píng)估的概率法。實(shí)踐證明，簡(jiǎn)單的線性統(tǒng)計(jì)公式或顯式的非線性關(guān)系難以準(zhǔn)確地反映各環(huán)境影響因素與高溫合金蠕變斷裂時(shí)間之間復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，必須采用精度更高的方法預(yù)測(cè)合金剩余壽命。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN)是一種信息處理技術(shù)，它擅長(zhǎng)處理輸入與輸出元素間復(fù)雜的多元非線性關(guān)系問(wèn)題，在工程上應(yīng)用較多的為誤差反向傳播（ErrorBackPropagation，BP)模型，已在高溫合金的成分設(shè)計(jì)、工藝制定、強(qiáng)度預(yù)測(cè)等方面獲得一定的應(yīng)用。
本文結(jié)合煙氣輪機(jī)盤件的服役特點(diǎn)，在已經(jīng)運(yùn)行六萬(wàn)小時(shí)的GH4738盤件上取樣，進(jìn)行不同條件下的持久實(shí)驗(yàn)。進(jìn)而，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了GH4738合金實(shí)驗(yàn)條件與蠕變斷裂壽命間的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用它預(yù)測(cè)了GH4738合金盤件的蠕變斷裂壽命，并對(duì)服役條件的影響進(jìn)行定量分析，為煙氣輪機(jī)熱端部件的質(zhì)量控制提供依據(jù)。
1實(shí)驗(yàn)材料及研究方法
實(shí)驗(yàn)材料取自已經(jīng)運(yùn)行六萬(wàn)小時(shí)的GH4738合金盤件的榫齒部位。加.工成標(biāo)準(zhǔn)光滑持久樣品，在高溫持久實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲取不同條件下的持久斷裂壽命。具體實(shí)驗(yàn)規(guī)范見表1。進(jìn)而，根據(jù)持久實(shí)驗(yàn)的參數(shù)特點(diǎn)，在MATIAB環(huán)境下建立相應(yīng)的誤差反向傳播型人工神經(jīng)預(yù)測(cè)模型。
2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)壽命預(yù)測(cè)模型的建立
本文設(shè)計(jì)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括三層神經(jīng)元:輸人層、輸出層及隱含層。輸入層有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別代表兩個(gè)服役條件:應(yīng)力和溫度;輸出層有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，代表合金的持久斷裂壽命。ANN模型的訓(xùn)練采用反向傳播算法的附加動(dòng)量法(，學(xué)習(xí)速率取為0.05，動(dòng)量項(xiàng)系數(shù)取為0.5，最大循環(huán)次數(shù)設(shè)為8000次。在預(yù)測(cè)過(guò)程中，設(shè)計(jì)了不同的ANN模型，它們的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為1、2、3、4、……、28、29、30。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為樣本，采用“留一法”(Leave-One-Outmethod)對(duì)這些模型進(jìn)行訓(xùn)練，然后測(cè)試它們各自的預(yù)測(cè)性能，并用統(tǒng)計(jì)學(xué)指標(biāo)衡量ANN模型的預(yù)測(cè)性能,具體表達(dá)式見公式（1）~式(3)。
其中MSE為均方誤差、MSRE為相對(duì)均方誤差、VOF為擬合分值。而隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)分別采用5、10、15、20的預(yù)測(cè)性能結(jié)果如圖1所示。
由圖1可知，當(dāng)ANN模型的隱含層中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí),模型的預(yù)測(cè)精度隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多而逐漸提高。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，模型的預(yù)測(cè)性能達(dá)到最佳,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量繼續(xù)增加時(shí)，模型的預(yù)測(cè)精度會(huì)降低。這說(shuō)明ANN模型中隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)模型的預(yù)測(cè)精度有重要影響，但ANN模型的預(yù)測(cè)性能并不是隨著隱含層中節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而單調(diào)增加，而是有一個(gè)最佳值:模型中的節(jié)點(diǎn)數(shù)在此值時(shí),模型的預(yù)測(cè)性能最優(yōu)，節(jié)點(diǎn)數(shù)少于或多于這個(gè)數(shù)值，模型的預(yù)測(cè)性能都會(huì)下降。在本文中，ANN模型隱含層的最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)為15個(gè)。
3服役條件對(duì)持久斷裂壽命的影響
3.1溫度恒定時(shí)，應(yīng)力對(duì)合金的持久壽命的影響
圖2a是用ANN模型預(yù)測(cè)的應(yīng)力對(duì)合金分別在650℃、730℃和815℃時(shí)的持久壽命的影響（圖中實(shí)線為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，虛線為ANN模型預(yù)測(cè)結(jié)果)?？梢钥闯?，在溫度為650℃的條件下，所建立的ANN模型對(duì)應(yīng)力為750MPa、700MPa和600MPa時(shí)的持久壽命的預(yù)測(cè)值與測(cè)試值吻合很好，對(duì)應(yīng)力為800MPa時(shí)的持久壽命的預(yù)測(cè)值誤差較大。此外，作者用ANN模型預(yù)測(cè)了應(yīng)力大于800MPa以及小于600MPa時(shí)的持久壽命，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)應(yīng)力大于800MPa時(shí)，合金的應(yīng)力-持久壽命曲線以較大的斜率向上延伸，當(dāng)應(yīng)力小于60OMPa時(shí)，合金的應(yīng)力-持久壽命曲線以較大的斜率向下延伸(圖2a)。ANN模型對(duì)730℃和815℃時(shí)的持久壽命的計(jì)算結(jié)果反映的情況與650℃時(shí)類似（圖2a)。
3.2應(yīng)力恒定時(shí)。溫度對(duì)合金的持久壽命的影響
圖2b為用ANN模型分析的應(yīng)力為500MPa時(shí)溫度對(duì)合金的持久壽命的影響。從圖中可以看到，合金的持久壽命的對(duì)數(shù)〈lg）與溫度間同樣存在非線性關(guān)系;在720~750℃范圍內(nèi)，合金的持久壽命的對(duì)數(shù)（lgt)與溫度間大致為線性關(guān)系，但是當(dāng)溫度高于750℃時(shí)，合金的溫度-持久壽命曲線以較大的斜率向上延伸，當(dāng)溫度低于720℃時(shí),合金的溫度-持久壽命曲線以較大的斜率向下延伸。
3.3 650℃以下時(shí)對(duì)合金的持久斷裂壽命預(yù)測(cè)
根據(jù)合金渦輪盤的實(shí)際服役條件，用ANN模型同時(shí)結(jié)合最小二乘法預(yù)測(cè)了合金在650℃以下時(shí)的持久斷裂壽命。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。
需要說(shuō)明的是:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)超出其訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)范圍的變量時(shí)會(huì)產(chǎn)生牧人的慶在大友實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所限，用ANN模型預(yù)測(cè)650℃以下的持久斷裂壽命時(shí)就會(huì)由于這個(gè)原因出現(xiàn)比較大的誤差。而根據(jù)最小二乘法總結(jié)的回歸經(jīng)驗(yàn)公式則沒(méi)有這個(gè)缺點(diǎn)。此外經(jīng)驗(yàn)公式還具有形式簡(jiǎn)明、應(yīng)用方便的特點(diǎn),所以進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)可以對(duì)ANN模型起到有益的補(bǔ)充作用?；谶@些考慮，得出了合金在650℃以下的服役條件與斷裂壽命間的經(jīng)驗(yàn)公式。圖3中400、500、600℃三條曲線就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的結(jié)果。
3.4ANN模型的適用性分析
針對(duì)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為，服役條件與剩余壽命之間存在下述函數(shù)關(guān)系:Life=(Temperature,Stress，…)。從形式上看，只要確定了函數(shù)F的解析式,就可以根據(jù)溫度和應(yīng)力預(yù)測(cè)蠕變斷裂壽命。然而蠕變斷裂壽命與服役條件（溫度和應(yīng)力)間的關(guān)系十分復(fù)雜，目前尚不能確定函數(shù)F的明確的解析式，因而不能用解析法進(jìn)行預(yù)測(cè)。
實(shí)踐證明，對(duì)復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，逼近法是一種可行的解決途徑。已經(jīng)證明，具有一個(gè)以上隱含層的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通用的函數(shù)逼近模型,通過(guò)調(diào)整其結(jié)構(gòu).人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逼近任意復(fù)雜的函數(shù)。因此可以設(shè)計(jì)合適的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用它逼近式中的函數(shù)F,從而根據(jù)合金服役時(shí)的極限條件，即極限溫度和相應(yīng)應(yīng)力，可以預(yù)測(cè)其蠕變斷裂壽命。
實(shí)際上，合金的剩余蠕變斷裂壽命不僅和宏觀服役條件如構(gòu)件的溫度和應(yīng)力分布有關(guān)，同時(shí)高溫高硫條件下的材料的組織劣化及環(huán)境腐蝕均會(huì)影響其使用壽命或運(yùn)行一定時(shí)間后的剩余壽命。
4結(jié)論
(1）采用隱含層包含15個(gè)節(jié)點(diǎn)的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)GH4738合金的持久斷裂壽命具有最好的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)精度。
(2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析表明，合金的剩余持久壽命與服役條件間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。
