高负荷运转下发动机高压涡轮盘材料断裂分析

采用微观、宏观和能谱分析方法研究高负荷机械运转下发动机高压涡轮盘FGH 4097粉末高温合金的断裂原因及机理。结果表明,发动机报废的主要原因是高压涡轮盘的疲劳断裂。夹杂物的主要组成是毛坯焊接过程中产生的焊渣,焊渣和合金发生化学反应生成PPB。     

粉末高温合金加工表面显微结构和力学性能变化研究

在切削加工粉末高温合金过程中,严重的塑性变形导致已加工表面出现显微组织结构和力学性能的变化。在已加工表面出现的白层体现出加工表面显微结构和力学性能的变化,对高温合金加工表面质量的影响至关重要。为了揭示粉末高温合金已加工表面显微组织结构和力学性能的变化,开展了切削速度对粉末高温合金FGH95已加工表面白层形成影响的研究。研究发现随着切削速度的提高,FGH95高温合金已加工表面出现的白层厚度增大。对加工表面进行显微观察发现在表面覆盖着一层致密的、无明显组织特征的白层结构。通过对加工前后材料的XRD测试分析得出FGH95粉末高温合金基体材料以Ni基固溶体的形式存在,而加工之后表面的显微组织结构则明显与基体材料不同。这说明在切削过程中粉末高温合金已加工表面发生了Ni基固溶体组织结构的变化。对FGH95高温合金已加工表面进行晶粒度测量发现,切削速度越高晶粒细化现象越明显。对高温合金切削表面白层进行力学性能测试表明,白层的显微硬度随着切削速度的提高而增大;存在于高温合金已加工表面白层中的残余应力为拉应力,且随着切削速度的提高拉应力增大。粉末高温合金已加工表面显微结构和力学性能变化研究可以揭示高温合金表面完整性的形成机理,为已加工表面质量的预测和控制提供理论依据。     

基于损伤力学的含夹杂粉末高温合金FGH96低周裂纹萌生寿命预测

研究FGH96粉末高温合金中夹杂物对低周疲劳寿命的影响,提出基于损伤力学理论的低周裂纹萌生寿命预测模型,在建立损伤演化方程后提出损伤表征参数.对含夹杂物和不含夹杂物的粉末高温合金试样在530℃和600℃下进行疲劳试验,并对具有椭圆形、半椭圆形、多边形和条形表面/亚表面夹杂物的试样进行模型验证,然后通过有限元模拟进行应力...     

热处理工艺对FGH95合金涡轮盘组织和性能的影响

研究了 3种热处理工艺对粉末合金FGH95涡轮盘组织和性能的影响 ,对合金组织、析出相、断口以及在 6 5 0℃条件下的力学性能进行了分析 ,结果表明 ,工艺 112 0℃× 1h炉冷 870℃× 1h空冷 6 5 0℃× 2 4h空冷比较适合FGH95合金涡轮盘的热处理     

真空熔铸高温合金铸件中非金属夹杂物的研究

目前航空发动机的涡轮叶片和导向叶片的生产是在真空下用熔模铸造法成型。非金属夹杂物是影响铸件冶金质量的一个重要问题。本试验的目的就是研究熔模铸造真空熔铸高温合金铸件中非金属夹杂物的种类、组成,分析其来源,为预防铸件中非金属夹杂物的产生提供依据。     

FGH96粉末高温合金损伤行为与寿命预测

粉末高温合金中缺陷,尤其是非金属夹杂缺陷不可避免。为了对粉末高温合金的可靠应用,除需在工艺上进行控制以减少缺陷外,还必须研究缺陷对粉末高温合金的损伤行为,及根据粉末高温合金的疲劳特性研究粉末高温合金的寿命预测方法。针对我国先进航空发动机涡轮盘选材的第二代损伤容限型粉末高温合金FGH96,分析了国内外粉末高温合金的发展与应用状况,叙述了其缺陷特性以及缺陷对FGH96粉末高温合金的影响规律,介绍了FGH96粉末高温合金的断裂特征以及裂纹萌生与扩展特性,分析了粉末高温合金寿命预测研究的相关工作,并探索性阐述了基于原始疲劳质量的粉末高温合金寿命预测方法。     

FGH96、FGH97粉末盘的无损检测

通过对FGH96粉末、FGH97粉末镍基高温合金涡轮盘、篦齿盘无损检测方法研究,确定了粉末盘超声检测和荧光检测工艺。通过检测结果研究发现,热等静压+锻造态合金有利于超声检测,并发现了缺陷显示;直接成型热等静压态合金有利于荧光检测,并发现了缺陷显示。     

FGH96母合金洁净化控制技术的研究

针对某发动机盘件用FGH96合金的痕量元素、气体杂质、冶金夹杂控制等要求变高,研究了高纯净度FGH96母合金制造技术。通过采用优选原材料、优化过滤系统、精细化控制关键过程等技术,解决了目前粉末盘非金属夹杂物多、纯净度低等技术难题,成功制备出高纯净度的FGH96高温母合金棒材。利用浮渣试验、电解腐蚀、金相夹杂检验等多种纯净度定量定性鉴定方法对各种试验方案材料进行纯净度评价,并将各种方法进行对比。     

镍基粉末高温合金切削加工表面白层研究

FGH95粉末高温合金一种典型的难加工材料,在切削加工时,已加工表面会形成一层耐腐蚀的,在光学显微镜下呈现亮白色的白层组织。对基体和白层组织进行EDS和XRD分析发现,FGH95合金已加工表面白层具有致密化和无明显结构特征的特点,白层出现了晶粒细化并且发生了物相的变化;采用正交铣削试验的方法,测量加工过程中的切削力和切削温度,对已加工表面进行腐蚀并观察和测量白层的厚度,研究了表面等效应力、应变率和切削温度对白层形成的影响。研究发现,随着切削速度的提高,表面等效应力、应变率和温度不断增加,从而导致白层的厚度不断增大。     

FGH97合金高压涡轮盘热等静压成形技术研究

FGH97(FGH4097)合金为镍基γ'相沉淀强化型粉末冶金高温合金,基体为γ相,是我国研制的新型粉末高温合金,该合金在650~750℃温度区间具有优异的综合力学性能,广泛应用于先进航空发动机的涡轮盘、篦齿盘等关键热端部件的制造。     

FGH4096粉末高温合金的再结晶形核机制

利用OM和TEM对FGH4096粉末高温合金的再结晶组织进行了系统的观察和分析,证实有3种再结晶形核机制存在,即原始颗粒边界形核、应变诱导蝶状γ’相形核和孪晶叠加形核.通过研究微观偏析,弯曲褶皱边界的形成和孪晶叠加效应,原子扩散和位错运动建立了形核模型.     

FGH4096粉末高温合金的热变形行为

对FGH4096合金进行了变形温度1050～1140℃,应变速率0.001～2s-1的热压缩实验。分析了合金的流变行为,构建了Arrhenius型本构方程,得到合金的热变形激活能为870.785kJ/mol。并建立了能够准确描述热加工过程中能量耗散情况和预测变形失稳的热加工图。结果表明:能量耗散与动态再结晶和晶粒长大有关,在变形温度Td为1050～1070℃,应变速率ε为0.001～0.01s-1范围内,峰值耗散率为61%(1050℃,0.001s-1),此区域易形成"项链"组织,很多晶粒处于形核阶段;在Td为1100～1140℃,ε为0.001～0.01s-1范围内,能量耗散峰值达50%(1110℃,0.001s-1),此时,晶界迁移显著,再结晶晶粒明显长大;在Td为1070～1100℃,ε为0.01～0.1s-1范围内,能量耗散率大于39%左右,再结晶完全、晶粒细小。Td为1060～1100℃,ε为0.5～2s-1时,合金落入流变失稳区,能量耗散率达到最小值,局部变形严重是造成流变失稳的重要原因。     

镍基粉末冶金FGH95高温合金的拉伸及低周疲劳性能研究

在420～650℃的温度范围内,研究了PM FGH95高温合金在应变率0.0001～0.01 s-1范围内的拉伸性能及在不同应力比R=-1及R=0下的低周疲劳性能.拉伸试验结果表明:在此温度范围内,应变率对弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量的影响可以忽略不计;并且应变率自0.0001 s-1增大至0.01 s-1时,弹性模量、拉伸屈服强度及塑性模量受温度的影响也不明显.PM FGH95合金受材料微结构的影响很大,材料含有的微缺陷对其力学性能有非常不利的影响.LCF试验结果表明:PM FGH95合金是循环硬化材料.当应力比R=-1时,温度对LCF寿命的影响很小;但在应力比R=0时,LCF寿命受温度的影响很大,且随着温度的增加材料的低周疲劳寿命减小.SEM断口扫描发现,断裂表面有很多的解理面,但没有疲劳条带,且此断裂模式下没有明显的塑性变形,所以FGH95合金的低周疲劳寿命几乎是由裂纹萌生阶段决定的.     

激光直接沉积界面超声反射与力学性能关系研究

通过对激光直接沉积制备的FGH96粉末高温合金与K441高温合金界面超声回波的研究,分析界面回波高度变化的原因,在不同回波高度位置取样进行室温拉伸性能测试,断口观察并利用EBSD测量K441高温合金的晶粒取向。结果发现,不同回波高度位置取出的试样拉伸性能差异不大,回波高度与拉伸性能无明显相关性,试样回波高度的变化主要是由于K441高温合金粗晶粒取向不同造成的,FGH96粉末高温合金/K441高温合金界面可能产生φ1.2 mm平底孔当量的伪缺陷显示。     

基于损伤力学的粉末高温合金FGH96疲劳寿命预测

以粉末高温合金FGH96为研究对象,提出采用损伤力学理论来建立寿命预测模型。对于不同夹杂物特征,粉末高温合金裂纹萌生有不同的表征参量,其数值变化为裂纹萌生的寿命预测提供思路。对粉末高温合金寿命预测的研究现状进行分析,然后利用损伤演变方程建立寿命预测模型;使用有限元软件（ANSYS）分别模拟夹杂物的不同位置、不同尺寸以及不同形状对裂纹萌生的影响,得到相应的损伤参量分布云图。将得到的损伤参量代入计算模型,得到疲劳寿命计算结果,与实验结果进行对比,证明疲劳寿命预测模型的有效性。结果表明:损伤参量Y能较好地表征材料的低周疲劳损伤;在不同的实验条件（温度、应变范围和应变比）下,所建立的粉末合金FGH96疲劳寿命预测模型都能较好地反映夹杂物对粉末高温合金疲劳寿命的影响。     

高温低周疲劳损伤对FGH96合金力学性能影响的实验研究

通过设计FGH96粉末高温合金的高温低周疲劳试验和高温单轴拉伸试验,研究了不同应力水平下高温低周疲劳损伤对合金力学性能的影响,结合对断口形貌的观察和成分分析,分析了合金力学性能改变的微观机理。结果表明,受疲劳载荷作用期间位错运动的影响,合金的屈服强度、抗拉强度在损伤前期表现出上升的趋势;损伤后期,随着材料内部裂纹的不断增多及扩展,合金的弹性模量、抗拉强度不断退化。合金力学性能的变化与疲劳加载的应力水平表现出明显的相关性。断口显微组织分析表明,随着损伤程度的增加,合金高温拉伸断裂模式由韧性逐渐向脆性转变,高温氧化加速了断裂模式的转变。     

分离FGH95合金粉末中陶瓷夹杂物的水淘析法有效性分析

通过对水淘析法的原理分析 ,运用流体力学中的摩擦数群法确定了以陶瓷夹杂物在水中的沉降速度来确定水流速度 ,及在确定的水流速度下 ,所能淘析出的FGH95合金粉末的最大尺寸 ;并以比较淘析出的FGH95合金粉末的实际最大尺寸与理论最大尺寸 ,考察了水淘析法分离FGH95合金粉末中的陶瓷夹杂的有效性     

粉末冶金高温合金FGH97的低周疲劳断裂特征

研究了粉末冶金镍基高温合金FGH97在650℃,30—980 MPa,1 Hz实验条件下的低周疲劳断口的宏观及微观特征,裂纹源的类型及其形貌特征,以及裂纹源的位置、缺陷类型、形状和尺寸对低周疲劳寿命的影响.结果表明,在本次实验条件下该合金的低周疲劳寿命均超过了5000 cyc;统计得出,低周疲劳断口裂纹源在表面的试样占23%,在亚表面的占47%,在试样内部的占30%;裂纹源分平台、粉末颗粒、夹杂物3种类型,其中平台类型约占5%,粉末颗粒间断裂占15%,夹杂物占80%.由统计分析和计算得出,不同类型裂纹源对疲劳寿命的影响程度不同:夹杂物最严重,其次为异常粉末颗粒,再次为局部塑性变形.