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、渦輪盤是燃氣渦輪發(fā)動機關(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)動機的發(fā)展，對渦輪盤材料的性能要求越來越高，也越來越嚴格，即要求更高的綜合性能及長期工作的穩(wěn)定性。本論文在目前國內(nèi)外研究工作的基礎(chǔ)上，對粉末冶金合金的力學(xué)性能進行了較為系統(tǒng)的研究，并結(jié)合工程實際，對粉末冶金盤件的疲勞壽命和破裂轉(zhuǎn)速進行了較深入的研究，為粉末冶金合金在工程中的應(yīng)用進行了有益的探索。論文的主要工作和貢獻如下： 1、

2、開展了粉末高溫合金材料FGH95力學(xué)特性試驗，掌握了FGH95的基本力學(xué)性能。試驗表明，鎳基粉末高溫合金是一種機械硬化材料，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試驗表明，R＝-1時，420℃~650℃范圍內(nèi)，溫度對LCF壽命的影響可以忽略，但當R＝0時，溫度對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勝于抗拉疲勞能力。不同溫度和不同應(yīng)力水平的蠕變試驗表明，溫度和應(yīng)力水平對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展試驗可以看出，在不同溫度下（430℃和600℃）測得的疲勞裂紋擴展速率基本在同一個數(shù)量級內(nèi)，說明在測試的兩種溫度下，疲勞裂紋的擴展速率對溫度不敏感。 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空穴體積增長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空穴體積增長率和空穴體積成核率有著顯著影響，因此，空穴洞和夾雜對粉末合金材料構(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、形狀對疲勞壽命的影響比較大。同時，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，當積累到一定程度時，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，切口張開角度越大，壽命越短。采用光滑圓棒試樣和帶孔平板試樣對處于不

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行了驗證。 5、通過粉末冶金渦輪盤在試驗狀態(tài)下的有限元分析，確定了渦輪盤的危險位置，并根據(jù)建立的疲勞壽命與應(yīng)力范圍的關(guān)系，對渦輪盤的疲勞壽命進行了預(yù)測。計算與試驗結(jié)果的誤差值在工程允許范圍之內(nèi)，表明本文計算方法可以應(yīng)用于工程設(shè)計。采用三種方法對粉末盤的破裂轉(zhuǎn)速進行了計算，并與試驗結(jié)果進行了對比。

7、結(jié)果表明，三種方法的計算結(jié)果相差較小，該輪盤具有大于試驗破裂轉(zhuǎn)速（122％n設(shè)計）的儲備能力。 6、研究了粉末高溫合金盤件的裂紋萌生和擴展壽命。采用兩種不同模型對粉末冶金導(dǎo)流盤的應(yīng)力和應(yīng)變進行了分析，分別考慮了導(dǎo)流盤上通氣孔和槽道對結(jié)果的影響。計算結(jié)果表明，由于在導(dǎo)流盤止口槽道根部沒有采用圓角過渡，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)致裂紋萌生與擴展，最終使導(dǎo)流盤斷裂破壞。分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。采用數(shù)值模擬和斷口觀