粉末高溫合金材料的力學(xué)特性及其在渦輪盤上的應(yīng)用研究.pdf

1、渦輪盤是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵件之一。渦輪盤材料是制約其技術(shù)性能、可靠性及安全性的關(guān)鍵因素。隨著高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，對(duì)渦輪盤材料的性能要求越來(lái)越高，也越來(lái)越嚴(yán)格，即要求更高的綜合性能及長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性。本論文在目前國(guó)內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)上，對(duì)粉末冶金合金的力學(xué)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)粉末冶金盤件的疲勞壽命和破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行了較深入的研究，為粉末冶金合金在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。論文的主要工作和貢獻(xiàn)如下： 1、

2、開(kāi)展了粉末高溫合金材料FGH95力學(xué)特性試驗(yàn)，掌握了FGH95的基本力學(xué)性能。試驗(yàn)表明，鎳基粉末高溫合金是一種機(jī)械硬化材料，在溫度420℃到650℃、應(yīng)變率介于0.0001 和0.01 的情況下，對(duì)楊氏模量、屈服極限和塑性模量的影響并不明顯。FGH95粉末合金的LCF試驗(yàn)表明，R＝-1時(shí)，420℃~650℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)LCF壽命的影響可以忽略，但當(dāng)R＝0時(shí)，溫度對(duì)LCF壽命有著較大的影響。與拉伸性能相比，鎳基粉末冶金的壓縮強(qiáng)度和壓縮疲

3、勞性能更加優(yōu)異，材料的抗壓縮疲勞能力遠(yuǎn)勝于抗拉疲勞能力。不同溫度和不同應(yīng)力水平的蠕變?cè)囼?yàn)表明，溫度和應(yīng)力水平對(duì)FGH95的蠕變性能有明顯影響，隨著溫度和應(yīng)力水平的增加，材料抵抗蠕變變形的能力迅速下降。由材料的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)可以看出，在不同溫度下（430℃和600℃）測(cè)得的疲勞裂紋擴(kuò)展速率基本在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，說(shuō)明在測(cè)試的兩種溫度下，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率對(duì)溫度不敏感。 2、采用Gurson塑性理論研究了含夾雜粉末高溫合金材料的細(xì)觀

4、力學(xué)行為。研究結(jié)果表明，空穴洞中心位置和空穴洞形狀對(duì)空穴體積增長(zhǎng)率和空穴體積成核率有著顯著影響，夾雜位置和夾雜形狀對(duì)空穴體積增長(zhǎng)率和空穴體積成核率有著顯著影響，因此，空穴洞和夾雜對(duì)粉末合金材料構(gòu)件的壽命有明顯的影響。夾雜物離基體表面的距離對(duì)材料損傷影響比較大，夾雜物離基體表面越近越容易引起基體的破壞，夾雜物引起的表面裂紋是材料損傷的主要原因。 3、采用Gurson塑性理論研究了含夾雜粉末冶金材料的疲勞特性。研究結(jié)果表明，夾雜物的

5、形狀對(duì)疲勞壽命的影響比較大。同時(shí)，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，基體的最大空穴體積成核率不斷增大，當(dāng)積累到一定程度時(shí)，基體將發(fā)生斷裂破壞。 4、采用K-R蠕變損傷模型分析了粉末冶金材料在復(fù)雜應(yīng)力下的蠕變損傷。研究結(jié)果表明，切口形狀對(duì)切口試樣的最大損傷位置分布有很大的影響。不同切口半徑的試樣蠕變壽命有很大區(qū)別。對(duì)于C型和U型切口試樣，切口半徑越大，壽命越短；V型切口試樣，切口張開(kāi)角度越大，壽命越短。采用光滑圓棒試樣和帶孔平板試樣對(duì)處于不

6、同溫度復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的FGH95高溫合金的低周疲勞（LCF）性能進(jìn)行了研究，建立了疲勞壽命與循環(huán)應(yīng)力范圍的函數(shù)關(guān)系，并采用渦輪盤模擬件進(jìn)行了驗(yàn)證。 5、通過(guò)粉末冶金渦輪盤在試驗(yàn)狀態(tài)下的有限元分析，確定了渦輪盤的危險(xiǎn)位置，并根據(jù)建立的疲勞壽命與應(yīng)力范圍的關(guān)系，對(duì)渦輪盤的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的誤差值在工程允許范圍之內(nèi)，表明本文計(jì)算方法可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。采用三種方法對(duì)粉末盤的破裂轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

7、結(jié)果表明，三種方法的計(jì)算結(jié)果相差較小，該輪盤具有大于試驗(yàn)破裂轉(zhuǎn)速（122％n設(shè)計(jì)）的儲(chǔ)備能力。 6、研究了粉末高溫合金盤件的裂紋萌生和擴(kuò)展壽命。采用兩種不同模型對(duì)粉末冶金導(dǎo)流盤的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了分析，分別考慮了導(dǎo)流盤上通氣孔和槽道對(duì)結(jié)果的影響。計(jì)算結(jié)果表明，由于在導(dǎo)流盤止口槽道根部沒(méi)有采用圓角過(guò)渡，產(chǎn)生了很大的應(yīng)力集中，出現(xiàn)明顯的塑性應(yīng)變，導(dǎo)致裂紋萌生與擴(kuò)展，最終使導(dǎo)流盤斷裂破壞。分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。采用數(shù)值模擬和斷口觀