增壓器陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子棘輪疲勞行為研究.pdf

1、渦輪轉(zhuǎn)子是渦輪增壓器的核心部件，在高溫、高速工作中承受很大的復(fù)合載荷，容易發(fā)生疲勞失效。BNNT/Si3N4復(fù)合陶瓷由于向Si3N4基體中添加了增韌相BNNT，其塑性和韌性有明顯改善，抗疲勞性能較好，成為最佳的增壓器渦輪替代材料。本文首先制備BNNT和BNNT/Si3N4渦輪轉(zhuǎn)子，對其棘輪疲勞行為進(jìn)行研究，分析和預(yù)測棘輪疲勞壽命，并利用有限元軟件對其動(dòng)力學(xué)特性和疲勞裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行分析。
　　采用無定型B粉和氨氣為原料，以CNT為

2、模板，通過高能球磨法成功制備出高純度的BNNT。高能球磨法降低了對反應(yīng)所需激活能和溫度的要求，硬件設(shè)備容易獲取、耗能少、便于對制備過程進(jìn)行監(jiān)控和操作，大大降低了BNNT的制備成本。
　　鑒于陶瓷材料與金屬材料疲勞行為的共同點(diǎn)，基于金屬塑性材料疲勞壽命表達(dá)式，引入相關(guān)參數(shù)，建立了陶瓷材料棘輪疲勞裂紋起始壽命Ni和擴(kuò)展壽命Np數(shù)學(xué)模型，為計(jì)算分析陶瓷渦輪葉片在離心力載荷下的Ni和Np提供了理論支持。
　　根據(jù)建立的陶瓷材料棘輪疲

3、勞裂紋起始壽命和擴(kuò)展壽命數(shù)學(xué)模型，對復(fù)合陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子葉片的Ni和Np進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，復(fù)合陶瓷渦輪葉片的棘輪疲勞損傷轉(zhuǎn)速門檻值為140000r/min，優(yōu)于純陶瓷的130000/min;在高轉(zhuǎn)速的疲勞損傷區(qū)域，相同轉(zhuǎn)速時(shí)，BNNT/Si3N4渦輪的棘輪疲勞壽命明顯高于純Si3N4渦輪，增幅約在40％～50％。對比兩種陶瓷渦輪葉片的棘輪疲勞壽命計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)BNNT/Si3N4渦輪葉片相比于純Si3N4渦輪葉片在抵抗裂紋萌生和阻止裂紋擴(kuò)

4、展能力兩個(gè)方面均有顯著提高，說明BNNT對Si3N4基體的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用是顯著的。
　　建立增壓器渦輪轉(zhuǎn)子三維模型，并利用有限元軟件對渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)、應(yīng)力應(yīng)變、溫度場、應(yīng)力強(qiáng)度因子K以及裂紋擴(kuò)展分析。結(jié)果表明，渦輪上最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在葉片吸力面根部，與實(shí)際情況相符合;BNNT/Si3N4復(fù)合陶瓷由于具有低密度、低泊松比、高彈性模量等優(yōu)異的力學(xué)性能，使得整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力平衡性能更好，在相同轉(zhuǎn)速下比Si3N4和K418合金渦輪產(chǎn)生的