航空發(fā)動機渦輪盤用GH4133B合金疲勞損傷斷裂與微觀機理研究.pdf

1、渦輪盤是航空發(fā)動機上的一個非常重要的承載部件,其工作溫度略低于渦輪葉片的工作溫度,但工作中的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。由于渦輪盤本身構(gòu)造的復(fù)雜性,以及工作中的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),其輪心、腹板、輪緣榫齒以及槽底等各個部位所受溫度、應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕作用程度均不相同。為此,渦輪盤用材料性能需具備如下條件:較高的屈服強度、抗拉強度以及足夠的塑性儲備;足夠的持久強度、蠕變和塑性;優(yōu)越的抗疲勞性能;良好的耐腐蝕性能和穩(wěn)定的組織性能。
　　鎳基高溫合金GH41

2、33B是在GH4133合金基礎(chǔ)上添加適量的Mg和Zr微合金化而制成的改型合金。GH4133B合金消除了GH4133合金750oC以上存在的缺口敏感性,使材料的使用壽命成倍增加,大幅提高了持久強度和塑性。因此,在航空選材中選用GH4133B作為航空發(fā)動機的渦輪盤用材料。本文以 GH4133B合金為研究對象,開展該型合金常溫力學(xué)性能的穩(wěn)定性與可靠性、疲勞損傷機理、裂紋擴展行為的理論與實驗研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　1.介紹了金

3、屬材料的疲勞行為,分析了金屬疲勞各個階段的形成和宏微觀特性。在對國內(nèi)外金屬疲勞研究進展進行簡要回顧的基礎(chǔ)上,總結(jié)了金屬疲勞的損傷宏微觀描述方法、疲勞損傷基本模型以及疲勞斷口形貌分析。
　　2.材料的可靠性和穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)安全性評估的基礎(chǔ)。針對航空發(fā)動機渦輪盤用GH4133B合金,分別進行拉伸、沖擊、布氏硬度實驗,獲得622組基本力學(xué)性能實驗數(shù)據(jù),并對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。對GH4133B合金的拉強度σb、屈服強度σ0.2、延伸率δ5

4、、斷面收縮率ψ、布氏硬度HB以及沖擊韌性αk進行正態(tài)分布分析,并采用D檢驗法進行檢驗,然后應(yīng)用平均數(shù)全距控制圖方法,檢測不同測試時間段GH4133B合金力學(xué)性能參數(shù)的穩(wěn)定性。分別利用雙參數(shù)Weibull統(tǒng)計分析法和三參數(shù)Weibull統(tǒng)計分析法,考察GH4133B合金力學(xué)性能的整體穩(wěn)定性和可靠性。統(tǒng)計分析結(jié)果表明,GH4133B合金力學(xué)性能參數(shù)基本符合正態(tài)分布,且具有周期穩(wěn)定特性。對于GH4133B合金的可靠性評估,宜采用三參數(shù)Weib

5、ull分布。GH4133B合金的整體穩(wěn)定性和可靠性均符合使役要求。
　　3.疲勞是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件斷裂的主要原因。針對航空發(fā)動機渦輪盤用GH4133B合金,進行疲勞以及疲勞損傷演變的測定實驗,開展疲勞損傷和疲勞斷裂機理的研究。測量GH4133B合金的疲勞極限,并考察電阻變化與疲勞周次之間的關(guān)系。對實驗數(shù)據(jù)進行回歸與概率統(tǒng)計分析,獲取理論疲勞極限與P-S-N關(guān)系表達式,推導(dǎo)電阻變化率表征的損傷演化方程。結(jié)果表明,GH4133B合金

6、的理論疲勞極限與實測疲勞極限吻合較好,修正Chaboche損傷模型能較精確地預(yù)測GH4133B合金的疲勞損傷。應(yīng)用掃描電子顯微鏡對疲勞斷口進行微觀分析。由斷口形貌分析可知,GH4133B合金疲勞源區(qū)呈混合斷裂模式,斷面上出現(xiàn)二次裂紋。擴展區(qū)呈現(xiàn)出典型的疲勞條帶,且在較低應(yīng)力幅值下可觀察到脆性疲勞條帶。瞬斷區(qū)呈準(zhǔn)脆性斷裂模式,且韌窩的尺寸和數(shù)量隨應(yīng)力幅值的增加而減小。
　　4.材料的疲勞壽命由裂紋形成壽命和擴展壽命兩部分組成。針對航

7、空發(fā)動機渦輪盤用GH4133B合金,進行室溫下不同應(yīng)力比的疲勞裂紋擴展實驗,測試疲勞裂紋擴展門檻值。Paris公式回歸分析結(jié)果表明,裂紋擴展速率隨應(yīng)力強度因子和應(yīng)力比的增大而增大,含門檻值的修正Paris公式能精確描述疲勞裂紋擴展行為,含應(yīng)力比的一般表達式對于描述低應(yīng)力強度因子范圍內(nèi)疲勞裂紋擴展規(guī)律具有較好的精度。利用光學(xué)顯微鏡在線觀測裂紋擴展路徑,并利用掃描電鏡考察試樣斷口微觀形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨應(yīng)力強度因子增大,裂紋擴展路徑由直線變?yōu)?/p>