航空發(fā)動機渦輪盤用GH4133B合金疲勞裂紋萌生與擴展機理研究.pdf

1、航空發(fā)動機渦輪盤需在高溫、高壓、重載工況下工作，因而對其選材提出了很高的要求。鎳基高溫合金GH4133B因其高強度、良好的持久性和疲勞性能，成為制造航空發(fā)動機渦輪盤的首選材料。渦輪盤的失效形式主要表現(xiàn)為疲勞斷裂。在服役過程中，渦輪盤疲勞壽命主要消耗在疲勞裂紋萌生與短裂紋擴展階段，因而疲勞裂紋萌生與短裂紋擴展研究就成為渦輪盤損傷容限設(shè)計的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。
　　本文以航空發(fā)動機渦輪盤用GH4133B合金為研究對象，開展室溫大氣環(huán)境中不同應(yīng)

2、力比條件下的疲勞裂紋萌生和短裂紋擴展試驗，并利用掃描電子顯微鏡對合金試樣斷口進行微觀形貌分析，探討疲勞裂紋萌生、短裂紋擴展以及短裂紋向長裂紋擴展的微觀機理，得到以下結(jié)論：
　　1.利用OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡，考察不同應(yīng)力比條件下試樣表面的裂紋萌生與短裂紋擴展規(guī)律。結(jié)果表明，疲勞裂紋在缺口前緣駐留滑移帶處萌生，早期短裂紋沿滑移帶擴展。短裂紋擴展階段存在裂紋分岔與微裂紋串接匯合現(xiàn)象，疲勞試驗數(shù)據(jù)分散性大，短裂紋擴展速率呈

3、現(xiàn)出加速減速波動擴展的規(guī)律。對于光滑圓形缺口CT試樣，疲勞壽命主要消耗在裂紋萌生與短裂紋擴展階段，長裂紋擴展壽命占疲勞總壽命的比例較小。
　　2.選擇有效應(yīng)力強度因子范圍effΔK作為疲勞短裂紋擴展行為的控制參量，構(gòu)建疲勞短裂紋擴展速率方程，并對不同應(yīng)力比條件下的疲勞短裂紋擴展試驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析。結(jié)果表明，應(yīng)用effΔK表征的疲勞短裂紋擴展速率方程，可以較好地描述GH4133B合金疲勞短裂紋擴展階段，疲勞裂紋擴展速率隨循環(huán)

4、周次增加先減速后加速擴展的行為。疲勞短裂紋擴展的特性行為，主要出現(xiàn)在應(yīng)力比 R較低的情況下，隨應(yīng)力比的增大，短裂紋擴展特性減弱。恒定應(yīng)力比條件下，裂紋閉合效應(yīng)隨最大載荷值的增大而減小，因而短裂紋擴展特性出現(xiàn)得越遲。
　　3.采用擬諧波函數(shù)分析方法，構(gòu)建短裂紋向長裂紋擴展過渡階段裂紋擴展速率方程。利用擬諧波裂紋擴展速率方程，對不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴展試驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析。結(jié)果顯示理論預(yù)測曲線與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，表明構(gòu)建的

5、擬諧波裂紋擴展速率方程，可以較好地描述短裂紋向長裂紋擴展過程中，裂紋擴展速率隨疲勞周次增加而加速減速波動擴展的行為。與短裂紋擴展特性相比，在疲勞短裂紋向長裂紋過渡階段，裂紋擴展速率雖有波動，但是速率波動幅度不大。恒定應(yīng)力比條件下，隨著最大載荷的增加，裂紋擴展速率對裂紋尖端閉合效應(yīng)以及材料微觀結(jié)構(gòu)的敏感性下降，因而在短裂紋向長裂紋擴展過渡階段，GH4133B合金表現(xiàn)出較高的裂紋擴展速率，且速率的波動幅度較小。
　　4.采用JSM-6

6、360型掃描電子顯微鏡，對不同應(yīng)力比條件下GH4133B合金圓形缺口試樣疲勞裂紋萌生與短裂紋擴展試驗試樣疲勞斷裂表面進行分析，重點考察疲勞源區(qū)、疲勞短裂紋擴展區(qū)、疲勞短裂紋向長裂紋過渡區(qū)的微觀斷口形貌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋主要在碳化物夾雜或富鎳二相夾雜處萌生。在疲勞短裂紋擴展區(qū)，解理臺階上存在的早期疲勞條帶以及解理臺階附近存在的二次裂紋，可在一定程度上減緩疲勞短裂紋的擴展速率。在短裂紋向長裂紋擴展區(qū)，由于裂紋尖端受合金材料微觀結(jié)構(gòu)以及裂紋