航空發(fā)動機(jī)渦輪盤用GH4133B合金疲勞裂紋萌生與短裂紋擴(kuò)展研究.pdf

1、航空發(fā)動機(jī)渦輪盤作為發(fā)動機(jī)的重要承載部件之一,其安全服役性能直接關(guān)系到整個發(fā)動機(jī)乃至飛行器的安全。GH4133B合金因其良好的抗疲勞、抗蠕變性能及惡劣服役環(huán)境下的耐高溫、耐腐蝕性能,通常被選用來作為制造航空發(fā)動機(jī)渦輪盤、承力環(huán)、渦輪葉片等關(guān)鍵零部件的重要材料。
　　本文針對某型航空發(fā)動機(jī)渦輪盤用GH4133B合金,對其疲勞裂紋萌生和疲勞短裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行研究。使用 OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡,對帶圓形缺口CT試樣的缺口前

2、緣進(jìn)行在線觀測,考察疲勞裂紋萌生壽命和疲勞短裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。使用JSM-6360型掃描電鏡,對GH4133B合金試樣的疲勞斷裂表面進(jìn)行形貌觀測,探討疲勞裂紋萌生和早期裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)理。得出如下結(jié)論:
　　1.使用OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡,對不同應(yīng)力比條件下各試樣裂紋擴(kuò)展進(jìn)行在線觀測,發(fā)現(xiàn)GH4133B合金疲勞裂紋多萌生于駐留滑移帶(PSBs)處,且早期疲勞裂紋沿PSBs方向擴(kuò)展,隨疲勞周次的增加,疲勞裂紋擴(kuò)展路徑變得

3、曲折。在疲勞短裂紋擴(kuò)展過程中,存在裂紋分叉和串接匯合現(xiàn)象,裂紋的分叉和串接匯合擴(kuò)展行為是疲勞裂紋擴(kuò)展早期速率分散性較大的原因之一。通過對比不同應(yīng)力比條件下的裂紋萌生和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)力比的增加,合金的疲勞裂紋萌生壽命呈下降趨勢,疲勞短裂紋的擴(kuò)展速率隨應(yīng)力比的增加而上升。通過對疲勞裂紋早期擴(kuò)展跟晶粒之間相互關(guān)系的研究,發(fā)現(xiàn)隨疲勞周次的增加,疲勞短裂紋擴(kuò)展由沿晶擴(kuò)展、沿晶與穿晶混合擴(kuò)展向穿晶擴(kuò)展模式轉(zhuǎn)化。在疲勞短裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)

4、了部分試樣失穩(wěn)斷裂的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過對出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展裂紋試樣表面形貌的觀測與分析,發(fā)現(xiàn)試樣表面存在“潛在危險(xiǎn)帶”。通過監(jiān)測“潛在危險(xiǎn)帶”,可對構(gòu)件可能發(fā)生突然失效的位置做出預(yù)測。
　　2.采用斷裂力學(xué)法,以KΔIρ作為控制參量,分別研究了缺口半徑和應(yīng)力比對GH4133B合金疲勞裂紋萌生壽命的影響。研究結(jié)果顯示,以KΔIρ為控制參量的疲勞裂紋萌生壽命曲線,可以較好地預(yù)測合金的裂紋萌生壽命。不同缺口半徑條件下,以KΔIρ為控制參量的裂紋萌

5、生壽命曲線與S-N曲線相仿,存在與長裂紋擴(kuò)展門檻值類似的疲勞裂紋萌生門檻值。隨缺口半徑減小,裂紋萌生壽命變長。當(dāng)控制參量KΔIρ較大時,不同缺口半徑條件下合金的裂紋萌生壽命數(shù)據(jù)分散性較大,隨控制參量趨于裂紋萌生門檻值,裂紋萌生壽命數(shù)據(jù)分散性降低,在裂紋萌生門檻值處趨于一致。控制參量KΔIρ存在一個臨界值(ΔρK I) c,當(dāng)控制參量ΔK IρΔ>( K Iρ) c時,疲勞裂紋萌生壽命隨應(yīng)力比的增大而增加;當(dāng)控制參量ΔK IρΔ<( K

6、Iρ) c時,疲勞裂紋萌生壽命隨應(yīng)力比的增大而減小。
　　3.采用表面腐蝕法,對疲勞實(shí)驗(yàn)試樣表面進(jìn)行顯相處理,利用 OLYMPUS BX51M光學(xué)顯微鏡對試樣表面進(jìn)行金相圖像采集。對晶粒特征尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均,求得合金平均晶粒尺寸。對疲勞短裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析,結(jié)果顯示,疲勞短裂紋擴(kuò)展速率曲線符合二次拋物線規(guī)律,且疲勞短裂紋擴(kuò)展先減速后加速的特異性擴(kuò)展行為主要發(fā)生在應(yīng)力比較低的情況下,隨著應(yīng)力比的增加,疲勞短裂紋現(xiàn)象逐

7、漸減弱甚至消失。最后,通過對短裂紋向長裂紋過渡區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率曲線分析發(fā)現(xiàn),過渡區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線有“勾”形、“波”形和“L”形三種主要形式。
　　4.運(yùn)用 JSM-6360型掃描電鏡對疲勞短裂紋實(shí)驗(yàn)試樣疲勞斷裂表面進(jìn)行形貌分析,考察疲勞裂紋源區(qū)和疲勞短裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口形貌。結(jié)果顯示,GH4133B合金疲勞裂紋主要萌生于缺口表面和次表面的碳化物夾雜處。GH4133B合金疲勞裂紋萌生機(jī)理主要表現(xiàn)為:①碳化物夾雜強(qiáng)度小于基質(zhì)材料,

8、碳化物本身開裂導(dǎo)致疲勞裂紋萌生;②碳化物與基質(zhì)的內(nèi)界面分離;③碳化物夾雜與駐留滑移帶的相互作用,導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。短裂紋擴(kuò)展階段的斷口上存在放射性條紋、人字條紋及小刻面形貌,為典型的解理斷裂形貌特征。此外,通過對疲勞短裂紋擴(kuò)展的放射性條紋局部區(qū)域形貌觀測發(fā)現(xiàn),放射性條紋與其相鄰的條紋之間存在著解理臺階,且部分解理臺階上存在早期的疲勞條帶。早期疲勞條帶一定程度上減緩了疲勞短裂紋擴(kuò)展,從斷裂表面的微觀形貌分析角度,揭示了GH4133B合金在