航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)用GH4133B合金疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展機(jī)理研究.pdf

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)需在高溫、高壓、重載工況下工作，因而對(duì)其選材提出了很高的要求。鎳基高溫合金GH4133B因其高強(qiáng)度、良好的持久性和疲勞性能，成為制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)的首選材料。渦輪盤(pán)的失效形式主要表現(xiàn)為疲勞斷裂。在服役過(guò)程中，渦輪盤(pán)疲勞壽命主要消耗在疲勞裂紋萌生與短裂紋擴(kuò)展階段，因而疲勞裂紋萌生與短裂紋擴(kuò)展研究就成為渦輪盤(pán)損傷容限設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。
　　本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)用GH4133B合金為研究對(duì)象，開(kāi)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(kuò)展試驗(yàn)，并利用掃描電子顯微鏡對(duì)合金試樣斷口進(jìn)行微觀形貌分析，探討疲勞裂紋萌生、短裂紋擴(kuò)展以及短裂紋向長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)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(kuò)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(kuò)展。短裂紋擴(kuò)展階段存在裂紋分岔與微裂紋串接匯合現(xiàn)象，疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性大，短裂紋擴(kuò)展速率呈

3、現(xiàn)出加速減速波動(dòng)擴(kuò)展的規(guī)律。對(duì)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(kuò)展階段，長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命占疲勞總壽命的比例較小。
　　2.選擇有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍effΔK作為疲勞短裂紋擴(kuò)展行為的控制參量，構(gòu)建疲勞短裂紋擴(kuò)展速率方程，并對(duì)不同應(yīng)力比條件下的疲勞短裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(kuò)展速率方程，可以較好地描述GH4133B合金疲勞短裂紋擴(kuò)展階段，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨循環(huán)

4、周次增加先減速后加速擴(kuò)展的行為。疲勞短裂紋擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(zhǎng)裂紋擴(kuò)展過(guò)渡階段裂紋擴(kuò)展速率方程。利用擬諧波裂紋擴(kuò)展速率方程，對(duì)不同應(yīng)力比條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析。結(jié)果顯示理論預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，表明構(gòu)建的

5、擬諧波裂紋擴(kuò)展速率方程，可以較好地描述短裂紋向長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展速率隨疲勞周次增加而加速減速波動(dòng)擴(kuò)展的行為。與短裂紋擴(kuò)展特性相比，在疲勞短裂紋向長(zhǎng)裂紋過(guò)渡階段，裂紋擴(kuò)展速率雖有波動(dòng)，但是速率波動(dòng)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(kuò)展速率對(duì)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(zhǎng)裂紋擴(kuò)展過(guò)渡階段，GH4133B合金表現(xiàn)出較高的裂紋擴(kuò)展速率，且速率的波動(dòng)幅度較小。
　　4.采用JSM-6

6、360型掃描電子顯微鏡，對(duì)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(kuò)展試驗(yàn)試樣疲勞斷裂表面進(jìn)行分析，重點(diǎn)考察疲勞源區(qū)、疲勞短裂紋擴(kuò)展區(qū)、疲勞短裂紋向長(zhǎng)裂紋過(guò)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(kuò)展區(qū)，解理臺(tái)階上存在的早期疲勞條帶以及解理臺(tái)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(kuò)展速率。在短裂紋向長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展區(qū)，由于裂紋尖端受合金材料微觀結(jié)構(gòu)以及裂紋