Study on Fatigue Properties of Turbine Disk Groove Modeling Specimens of GH4720 Alloy

基于航空发动机涡轮盘榫槽结构特点及其工作状态,采用榫槽模拟件对GH4720合金的疲劳失效机理和裂纹扩展寿命进行了实验研究和理论分析。研究结果表明:GH4720合金榫槽模拟件的疲劳失效表现为3个阶段:(i)模拟涡轮盘榫槽处由于较高的应力集中而产生滑移,进而萌生裂纹;(ii)随着应力集中和循环载荷的持续,相邻晶粒间位错开动、发生滑移,裂纹在晶粒间传递;(iii)随着应力强度因子范围增大,剪应力和主应力交互作用、滑移系开动及位错在不同滑移系间的运动,裂纹快速扩展。在实验基础上建立了GH4720合金的疲劳裂纹扩展寿命模型,基于有限元分析的榫槽处的应力和裂纹扩展寿命模型得到的裂纹扩展寿命与实验结果相符,表明该裂纹扩展寿命模型可用于工程中预测涡轮盘的剩余寿命。     

涡轮盘榫槽裂纹失效分析及喷丸强化改进

对航空发动机涡轮盘服役后产生的榫槽裂纹进行失效分析,并通过喷丸强化改进。通过断口分析对故障涡轮盘进行失效原因确定;针对该种材料(GH2132)开展喷丸强化工艺试验,并在表面残余压应力、高温疲劳寿命及断口和显微组织等方面进行分析。结果表明故障涡轮盘属于疲劳断裂,疲劳裂纹并不是材料本身原因引起的,而是与应力集中和加工过程有关;实施表面喷丸强化工艺后,形成很高的表面残余压应力,高温疲劳寿命较喷丸前提高1～2个数量级,断口分析显示为单一疲劳源,显微组织显示晶粒明显细化。即涡轮盘榫槽裂纹为表面加工缺陷引起的疲劳断裂;喷丸强化则能够提高其高温疲劳强度极限,而喷丸强化层内的残余压应力和精细的亚晶粒是提高疲劳强度的主要因素。     

航空发动机涡轮盘GH4133B合金的疲劳断裂与组织研究

研究了不同应力幅值下航空发动机涡轮盘用GH4133B合金的疲劳性能,并观察了疲劳断口形貌。结果表明,GH4133B合金的理论疲劳极限均值为239.5 MPa;应力幅值为432 MPa时,疲劳断口无明显塑性变形,断口整体较为平整;疲劳源位于试样表面夹杂物处,在应力作用下向心部扩展,后断区位于外侧边缘,可见小面积剪切唇;合金中第二相颗粒在一定程度上会抑制疲劳裂纹的扩展,并减缓裂纹扩展速率。     

TC17合金超高周疲劳裂纹萌生机理

通过实验研究了2种频率(110 Hz和20 k Hz)循环载荷作用下航空发动机叶片材料TC17合金的超高周疲劳失效行为,分析了不同失效形式下的裂纹萌生机理。结果表明,TC17合金在2种实验载荷频率下均存在表面和内部萌生裂纹诱发疲劳失效2种失效形式,表面萌生裂纹诱发的疲劳失效主要是由加工缺陷和循环载荷作用下试样表面滑移处应力集中引起的横向裂纹所致,内部萌生裂纹诱发的疲劳失效是由循环载荷作用下材料初生α相的滑移断裂所致。失效机理的不同使得材料的应力-疲劳寿命(S-N)曲线呈双线性,载荷频率对TC17合金的裂纹萌生形式和萌生机理的影响不显著。建立了基于薄弱取向晶粒区域尺寸的疲劳强度预测模型,模型预测值与实验值吻合较好。     

某航空发动机第三级涡轮叶片失效分析

本文对某型号航空发动机GH4033第三级涡轮叶片榫头裂纹及断裂失效进行了分析,确定了失效模式为两类,第一类为蠕变疲劳裂纹,第二类为起始应力较大的高低周复合疲劳断裂.研究发现GH4033合金屈服强度偏低、晶界强化能力不足是叶片发生蠕变疲劳开裂的主要原因.而叶片的高低周复合疲劳断裂则主要与个别相邻叶片的叶冠间隙偏大引发的高振动弯曲应力及R处加工刀痕引发的应力集中有关.最后提出了预防叶片发生该类失效的措施.     

2197(Al-Li)-T851合金的疲劳裂纹萌生与扩展行为研究

研究了2197-T851合金的疲劳裂纹萌生与扩展特性。结果表明,2197铝锂合金的疲劳裂纹萌生与应力水平有关,在较低应力下,主要萌生在第二相粒子、第二相粒子/基体界面以及表面缺陷处,而在较高应力水平下,还出现沿滑移带和晶界处萌生。裂纹的扩展优先沿有利滑移面,在晶粒间的扩展以沿{111}面的穿晶扩展为主,也有沿小角度晶界扩展的情况,合金具有很好的平面滑移性。裂纹在晶粒内的扩展并非沿一个滑移系的直线扩展而是频繁发生偏折,却始终沿{111}面,可剪切共格相δ’粒子造成晶内扩展路径曲折。     

航空发动机高压涡轮盘辐板裂纹分析

航空发动机高压涡轮盘在外场使用后大修时,荧光检查发现后封严臂根部有裂纹显示。裂纹位于涡轮盘辐板与后封严臂转接R处,沿圆周分布,宏观上不连续。为查明涡轮盘产生裂纹的原因,本文对故障件的外观尺寸进行了检查,对开裂涡轮盘的化学成分和力学性能进行了测试,对断口进行了宏观和微观观察,并对涡轮盘裂纹处进行了应力分析和疲劳寿命评估以及实物件模拟试验,实现了故障再现。试验和分析结果表明,涡轮盘辐板与后封严臂转接R处的裂纹性质为低周疲劳裂纹,该位置的应力过大是裂纹形成的主要原因。     

GH4169 高温合金激光冲击强化层微观结构和微动疲劳行为研究

目的 提高GH4169镍基高温合金的微动疲劳寿命。方法 利用激光冲击强化（LSP）技术对GH4169高温合金榫试样进行表面强化处理并研究其微动疲劳性能。借助激光共聚焦显微镜（LCSM）、X射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、显微硬度计、X射线应力分析仪、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及高频疲劳试验机,对激光冲击强化前后的GH4169高温合金的微观组织、硬度、残余应力、微动疲劳寿命、断口形貌和裂纹扩展情况进行分析。结果 激光冲击强化后表面硬度提高了17.3%,硬化层深度约为0.63 mm,表面残余压应力为331.5 MPa。经激光冲击强化后变形层中晶粒未发生明显细化,表明激光诱导冲击波主要引起GH4169高温合金中位错的形成而不是位错的运动。在20 kN峰值载荷下,尽管强化后的断裂机制没有发生明显的变化,但是强化后榫试样的微动疲劳寿命比未处理的试样提高了827%,裂纹从多疲劳源转变为单疲劳源,裂纹萌生位置从表面转移到距表面234 μm的次表面,激光冲击强化显著提升了GH4169的萌生抗力和扩展速率,扩展区域的疲劳条带间距从未处理的0.50 μm增加到了强化后的1.01 μm,这可能与残余应力的突变与松弛有关。结论 在激光冲击强化后获得硬化层和残余应力场共同影响下,GH4169高温合金榫试样的微动疲劳寿命得到了显著提升。     

晶粒尺寸对GH720Li镍基合金蠕变-疲劳寿命的影响

为探明晶粒尺寸对涡轮盘材料—GH720Li镍基高温合金的蠕变-疲劳寿命的影响机理,开展了650℃下不同晶粒尺寸的GH720Li高温合金圆棒蠕变-疲劳试验研究。GH720Li高温合金的蠕变-疲劳寿命随着晶粒尺寸的减小而降低。而后,通过断口的SEM分析研究晶粒尺寸对GH720Li高温合金的蠕变-疲劳损伤影响机制。其失效机制主要为晶界的氧化起裂,而晶界长度随晶粒尺寸变小而增加。最后,对基于迟滞能量的损伤方程和机械功密度2种方法进行了修正,GH720Li合金的蠕变-疲劳寿命预测与试验结果吻合较好,验证了方法的准确性。     

涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展分析

基于有限元软件ABAQUS和三维裂纹扩展分析软件Franc3D,对涡轮盘中心孔三维疲劳裂纹扩展进行研究分析。首先,对平板试样表面裂纹进行裂纹扩展模拟计算研究,对比手册中Gross/Brown理论模型验证裂纹扩展应力强度因子数值模拟的准确性;其次,针对涡扇发动机涡轮盘结构,对轮盘不同外缘等效应力、转速情况的应力强度因子以及考虑初始缺陷的三维疲劳裂纹扩展寿命进行计算;最后,讨论发动机载荷差异对应力强度因子和裂纹扩展寿命影响规律。结果表明:在相同裂纹长度时,应力强度因子随着轮盘外缘等效应力和转速增加而增大,载荷越大疲劳寿命则越短,且裂纹越长,影响越大。为工程上三维裂纹扩展计算以及寿命评估提供参考。     

700～750℃GH2984合金的蠕变变形机制

研究铁镍基高温合金GH2984在700~750℃蠕变期间的显微组织演变及其对性能的影响。结果表明:在(700℃,300 MPa)蠕变条件下,合金持久寿命仅160 h,变形过程中晶界处的应力集中并促进裂纹的萌生与扩展是造成合金失效的主要原因。应力降至200 MPa时,晶粒旋转导致晶界处应力集中得到释放,抑制裂纹萌生并进而使合金持久寿命明显增长。然而,随着蠕变温度的增加,晶粒在变形过程中伴随出现动态再结晶。这一现象虽然使得合金持久塑性有所增加,但晶粒加工硬化程度较低造成合金持久寿命明显缩短。     

镍基高温合金疲劳裂纹急速扩展敏感温度及成因EI北大核心CSCD

对3种粉末高温合金FG4096、FGH4097和FGH4098,2种变形高温合金GH4720Li和GH4738等典型镍基高温合金,在550~800℃的宽温度范围内开展疲劳裂纹扩展实验,明确了合金在服役温度范围内的高温段存在疲劳裂纹急速扩展的敏感温度。综合考虑合金的高温组织演变和力学性能衰减对疲劳行为的影响,发现2者并非高温疲劳裂纹急剧扩展敏感温度存在的主因。不同温度下疲劳断口和裂纹扩展路径的对比以及氧化损伤分量的计算表明,高温下晶界氧化损伤是疲劳裂纹急剧扩展敏感温度存在的主要原因。采用分子动力学计算分析了不同温度下O对Ni和NiCr体系晶界强度的影响规律。通过实验和理论计算阐述了镍基高温合金疲劳裂纹扩展的高温敏感性现象和本质原因。     

GH720Li镍基高温合金蠕变-疲劳试验研究

对先进航空发动机涡轮盘的典型材料镍基高温合金GH720Li的蠕变-疲劳特性进行了试验研究。通过对真实涡轮盘上取样的圆棒试验件,开展了650℃不同保持时间下的GH720Li合金蠕变-疲劳试验。结果表明,650℃下保持时间对GH720Li合金的蠕变-疲劳特性影响较大,即,在较长的保持时间(30 min)下,蠕变损伤占主导地位,降低了材料的蠕变-疲劳寿命。SEM断口分析表明:随着保持时间的增加,裂纹形成区由穿晶和沿晶混合断裂向沿晶断裂转化;裂纹扩展区由穿晶断裂向穿晶、沿晶的混合模式转化。最后,基于GH720Li合金的蠕变-疲劳试验数据,分别选取载荷谱转换法和机械功密度法进行GH720Li合金的蠕变-疲劳寿命预测,并研究了2种模型的工程适用性。     

45钢上堆焊Fe-C-Cr-Nb合金的压缩疲劳行为

针对水泥挤压辊的压缩疲劳工况,采用自行设计的双切口疲劳试样,试验了45钢母材上堆焊六种Fe-C-Cr-Nb合金的压缩疲劳行为. 对疲劳试样表面进行原位观察和激光共聚焦裂纹分析,切口的应力应变集中促进其下方热影响区(HAZ)局部滑移线聚集并形成塑性变形区,同时在切口底部边缘萌生疲劳裂纹,穿过堆焊合金扩展进入HAZ. 疲劳裂纹还在熔合线萌生并扩展,最后导致疲劳失效. 试验结果表明,疲劳试样的a-N曲线近似为直线. 堆焊合金基体组织主要为高硬度马氏体时,疲劳裂纹扩展速率大,疲劳寿命仅5万次;基体组织为较软的铁素体或奥氏体时,裂纹扩展速率小,疲劳寿命长达54万次.     

晶界氧化对GH4738高温合金疲劳裂纹扩展的作用

测定了GH4738合金在650、700、750及800℃空气环境下的疲劳裂纹扩展速率da/d N-ΔK曲线及疲劳裂纹扩展寿命a-N曲线,得出了温度对合金疲劳裂纹扩展的影响规律,并结合组织性能、疲劳特征、高温及室温下晶界氧化情况等分析了温度对合金疲劳裂纹扩展的影响。结果表明,随着温度升高,GH4738合金的疲劳裂纹扩展速率(FCGR)增加,合金的断裂方式由沿晶和穿晶混合型断裂向完全沿晶断裂转变;在初始应力强度因子幅度DK为40 MPa·m1/2、晶粒尺寸为30~40 mm时,合金的疲劳裂纹扩展寿命在650~700℃内显著下降,存在一个温度敏感区间,其原因并不是材料的组织和力学性能的变化,主要是高温下的氧化作用所致;O通过裂纹尖端、滑移带间接进入晶界或O直接渗入晶界的方式,与晶界处的活性元素Co、Ti、Al反应生成脆性氧化物,从而降低了晶界强度,使合金的抗疲劳性能显著下降。     

高温合金疲劳裂纹扩张的冶金控制

涡轮发动机涡轮盘合金的低周疲劳寿命取决于疲劳裂纹的产生和扩张。先进的净化熔炼技术可以改善合金性能,减少缺陷的尺寸,从而得到新一代抗疲劳断裂的高强度高温合金。只有弄清高强度高温合金中产生疲劳裂纹的机理和显微组织与性能之间的相互关系,通过冶金方法控制疲劳裂纹扩张才有可能。控制合金抗高温疲劳的许多冶金参数现已弄清。对于所有高γ′含量的高温合金,最有效的冶金控制方法是在γ′溶解度线以上温度进行固溶处理后控制冷却速度,以改善晶粒边界的显微组织。冷却时,在晶粒边界发生的沉淀反应产生锯齿形的组织,这种组织有良好的抗疲劳—应力—氧化腐蚀性能。     

GH536高温合金焊接接头疲劳裂纹萌生与扩展原位试验研究

采用原位疲劳试验方法,实时观察了GH536焊接接头疲劳裂纹的萌生和扩展行为,从而揭示了GH536焊接接头疲劳裂纹的萌生和扩展机制:疲劳加载过程中,位错沿滑移带在晶界前沿塞积,晶界阻碍位错运动,裂纹沿滑移带开裂,萌生疲劳裂纹;疲劳裂纹扩展初期,受单滑移的交替作用,裂纹呈“Z”字型向前扩展,随后裂纹的扩展逐渐以主应力控制为主,垂直于加载方向、平直向前扩展;GH536合金焊接接头组织中的晶界和碳化物会阻碍疲劳裂纹的扩展。     

2A97铝锂合金的疲劳裂纹萌生及早期扩展行为(英文)

研究2A97铝锂合金的疲劳裂纹萌生及早期扩展行为。在室温条件下,采用光滑试样进行疲劳测试,其中最大应力为恒定值,应力比R为0.1,频率f为40 Hz。利用金相显微镜、透射电镜、扫描电镜及电子背散射衍射等手段对合金的微观组织进行分析,研究合金的疲劳裂纹萌生及早期扩展行为与其微观组织的关系。结果表明:2A97合金的疲劳裂纹主要萌生于试样表面的杂质相和粗大第二相处;其疲劳裂纹的早期扩展行为主要受晶粒结构与位错或滑移带共同作用的影响。当相邻晶粒的错配度接近于其晶内的最优滑移面的位向差时,大角度晶界强烈阻碍滑移带的运动,从而导致裂纹分叉和偏折。     

K416B镍基铸造高温合金的700℃高周疲劳行为

通过高周疲劳性能测试和组织形貌观察,研究了K416B镍基高温合金700℃的高周疲劳行为.结果表明,在700℃和应力比R=-1条件下,合金疲劳寿命随着应力的升高而减小,高周疲劳强度为175 MPa;在低应力条件下,形变位错在γ基体中发生不同取向滑移,随着应力增加,位错剪切γ'相,形成层错;在拉压高周疲劳期间,合金中开动多个滑移系,并沿不同方向发生扭曲变形,在γ+γ'共晶及碳化物附近产生应力集中,致使裂纹源萌生于合金表面附近的共晶及块状碳化物处.随着高周疲劳进行,裂纹在扩展区沿枝晶间扩展,并在瞬断区发生典型的解理断裂.     

GH4742合金疲劳裂纹扩展行为

研究GH4742合金在室温、700℃及750℃的疲劳裂纹扩展行为。分析温度和应力强度因子对疲劳裂纹扩展寿命与速率的影响,利用扫描电镜观察不同温度下的疲劳裂纹扩展断口。采用背散射电子衍射(EBSD)技术分析合金裂纹扩展的晶体学机制。结果表明,随着温度的升高,合金的裂纹扩展寿命降低,裂纹扩展速率增加,沿晶断裂特征更明显。应力强度因子越大,裂纹扩展速率越大。在原始大变形晶粒中裂纹以穿晶方式沿着小角度晶界扩展,裂纹扩展到再结晶晶界时以沿晶扩展为主,其扩展方式取决于相邻晶粒的面间角和取向差。