双性能粉末高温合金涡轮盘的研究进展

粉末高温合金由于在高温条件下表现出一系列优越的性能而成为制造高推重比航空发动机涡轮盘等热端部件的首选材料,特别是近年来对具有双晶粒组织的双性能涡轮盘不断深入的研究,使粉末高温合金应用前景更加乐观.本文论述国内外双性能粉末高温合金涡轮盘的研究进展,重点分析在制备中面临的问题,并对国内研制双性能涡轮盘提出建议.     

FGH95粉末高温合金的拉削研究

FGH95粉末高温合金作为一种高强度、高耐热性的镍基高温合金,在先进航空发动机的涡轮盘中应用日趋普遍,而涡轮盘的榫槽拉削是涡轮盘加工的关键工序。根据FGH95粉末高温合金的特点,从力学分析入手,强调FGH95粉末高温合金涡轮盘拉削过程控制的重要性,并提出了对FGH95粉末高温合金拉削过程中出现问题的解决措施。     

航空发动机双性能盘制造技术与机理的研究进展

具有双重组织的双性能涡轮盘和压气机盘因其优秀的综合性能而成为制造高推重比航空发动机的研究热点.介绍国内外航空发动机用高温合金、钛合金双性能盘的研究进展,对双合金双组织双性能盘和单合金双组织双性能盘进行比较,着重分析两类盘在制造过程存在的主要问题,未来双性能盘的研究重点将落在适合双重热处理的粉末合金和钛合金、双重热处理装置改进、超细晶盘坯和双合金连接弱化方面.     

先进航空发动机涡轮盘合金及涡轮盘制造

涡轮盘是航空发动机的心脏.涡轮盘的可靠性主要取决于其坯件的冶金质量,涡轮盘的完整性、均匀性和性能水平,还取决于所用合金及其坯件的热加工和热处理工艺的优化.本文对先进涡轮盘坯件,即纯洁、均匀、细晶组织的高温合金坯件制备三种工艺,以及涡轮盘零件锻压成形技术进行综合评述.     

FGH96粉末高温合金亚尺寸轮盘研制及试验验证

粉末高温合金涡轮盘是高推重比航空发动机研制的关键。由于粉末高温合金材料的特殊性,为了保证粉末高温合金轮盘的可靠性,需要修正传统轮盘强度和低循环疲劳寿命设计技术并进行验证。本文设计了亚尺寸结构的粉末高温合金轮盘,并对其进行了计算及分析,最后在试验器上进行了试验验证。该亚尺寸轮盘研制成功对高推重比涡轮盘的研制有重要意义。     

800℃以上服役涡轮盘用难变形镍基高温合金研究进展

大推重比航空发动机涡轮盘需在更高温度下服役,为满足更高温度服役航空发动机涡轮盘材料的需求,在新合金的发展过程中合金化程度和γ′相含量逐渐提高。其中GH4151、GH4175和GH4975合金是800℃以上服役变形高温合金的典型代表。对难变形高温合金国内外的发展趋势、3种典型合金的特征和发展过程进行了概述,并对难变形高温合金制备过程中开坯工艺和超塑性等问题进行了探讨。为充分发挥800℃以上服役高相含量难变形高温合金的优势和作用,需对合金成分设计特点、组织特性、热变形和超塑性变形过程中相的作用机制等方面开展相应的理论研究工作。     

粉末高温合金盘件的应用和发展

简要介绍了目前国外粉末高温合金涡轮盘的应用情况及未来盘件合金的研制方向和发展趋势，较详细地介绍了北京航空材料研究所粉末高温合金研制中的几个技术关键问题及所取得的突破性进展。     

航空发动机用高温合金及其制备技术

航空发动机是现代工业皇冠上的明珠,可以衡量一个国家的综合技术实力.在燃气涡轮式航空发动机中,高温合金用量通常占到发动机总重量的40％以上,因而高温合金被誉为"现代航空发动机的基石".决定发动机整机性能、可靠性和安全性的关键热端部件,如涡轮盘、叶片、燃烧室等均主要采用高温合金制造.     

航空发动机粉末冶金涡轮盘的新发展

为满足现役航空涡扇发动机改进改型和新型航空涡扇发动机研制的需要,航空发动机设计与制造商开发了新一代高温粉末合金材料,同时,根据涡轮盘的特殊工作条件,研究了双性能涡轮盘和双性能整体涡轮等综合技术。     

激光熔覆工艺的应用

激光熔覆具有广阔的发展前景,潜力很大,经济效益可观,引起国内外广泛的关注,并投入人才物力进行研究。 航空发动机钛合金和镍基合金摩擦副的接触磨损是发动机使用和维修中的一大难题,利用激光熔覆技术则可获得优良的涂层,为燃气涡轮发动机零件的修复开创了一个新途径。该工作研究了激光表面熔覆高温耐磨涂层的激光喷涂技术,在DZ4合金基体上,喷涂CoCrW合金粉末和WC粉末的机械混合物,厚度为0.3mm,提高了高温耐磨及抗腐蚀性能,对镍基合金制造的航空发动机涡轮叶片,利用激光熔覆技术熔覆钴基合金,提高了耐热耐磨性能,与热喷镀等方法相比,缩短了涂层制备的时间,质量稳定,且消除了由热影响可     

圆弧端齿对涡轮螺栓连接影响的数值研究

为验证某型民用航空发动机涡轮总体设计方案的可行性和安全性,以该型航空发动机涡轮的圆弧端齿连接结构为研究对象,利用有限元数值模拟方法研究了涡轮第1级盘与前轴之间采用圆弧端齿连接的设计对结构强度和疲劳失效的影响,分析了在高温及不同预紧力载荷工况下对圆弧端齿连接强度、疲劳等性能的影响规律.研究表明:该设计存在涡轮第1级盘与高压涡轮轴连接的外端齿分离而导致振动的风险,而增大预紧力可以提高螺栓连接传递荷载的能力,但螺栓孔边存在局部高应力问题.研究结果为圆弧端齿的设计方案提供了有效理论支撑和参考.     

基于响应面法的涡轮盘低循环疲劳可靠性分析方法

针对低循环疲劳破坏模式,结合低循环疲劳寿命分析方法与线性损伤准则,提出了基于响应面法的结构可靠性分析方法。将材料属性、载荷以及材料的低循环疲劳性能参数作为随机因素,采用响应面法进行了可靠性分析;以之对某型航空发动机涡轮盘进行低循环疲劳可靠性分析,并将其与蒙特卡罗法进行了比较。结果表明,该方法计算速度较快,精度较高,对研究实际涡轮盘低循环疲劳的可靠性具有较好的实用性。     

涡轮盘的破裂分析

某烟气轮机涡轮盘发生了盘缘断裂掉块事故,某航空发动机Ⅰ级涡轮盘也大量发生槽底裂纹的故障。我们对这两个盘的盘体和槽底部分用轴对称和平面8节点等参元有限元法对温度场(包括瞬态温度场)与应力场进行了计算,从而对涡轮盘在不同工作状态下的应力分布及故障原因进行了分析。本文着重阐述冷却条件对于涡轮应力分布是十分重要的,同时,不应忽视轮缘的应力水平,在某特定工作状态下,轮缘的应力值可能远远超过轮心,而且循环的应力幅值也很大,且由于载荷与几何形状的复杂性,在轮缘与榫齿的过渡段上出现较大的应力集中,往往成为裂纹源区;本文最后分析了轮缘残余应力形成及对槽底径向裂纹的生成与扩展的影响。     

人工槽模拟GH4169涡轮盘表面裂纹缺陷的微磁检测

针对航空发动机涡轮盘表面裂纹缺陷,提出一种地磁场环境下的微磁无损检测(NDT)方法。磁化试验测得了广泛使用的镍基高温合金GH4169材料的磁化特性曲线,通过磁性分析,证明该材料的相对磁导率略大于空气的相对磁导率,为弱顺磁性物质。理论分析了微磁检测适用于涡轮盘试件的检测原理和缺陷处的磁异常特征,通过对预置人工槽缺陷的涡轮盘试块进行检测,验证了理论分析的正确性。检测结果表明,随着涡轮盘表面裂纹宽度和深度的增加,磁异常的宽度和峰值也相应增加,裂纹宽度相同时,深度越深,或者说深宽比越大,磁异常越明显,且裂纹产生的位置对定位精度存在一定的影响。该微磁检测方法为涡轮盘表面裂纹缺陷的有效检测提供了新的思路,能进一步推广应用于飞机发动机的其他部件,如转子叶片、涡轮轴等,以及飞机机身上具有相似磁学特性的材料的无损检测。     

θ参数法在涡轮盘蠕变变形分析中的应用

针对某直接时效ZSGH4169涡轮盘的蠕变变形展开研究,建立了16参数的θ参数法模型，对ZSGH4169高温合金在不同温度、不同载荷下的蠕变曲线进行了模拟；将该模型同有限元程序结合，开发了相应的用户子程序，并验证了子程序的计算能力及计算精度；将模型应用于涡轮盘的蠕变分析。结果表明:该模型能够准确模拟ZSGH4169在650℃及700℃下3个阶段的蠕变行为，与Norton率等传统模型相比，建模能力更强且精度更高，特别是能够开展变载、变温等复杂条件下蠕变的数值模拟。进而获得了涡轮盘盘心孔、盘缘螺栓孔两个危险位置处蠕变应变随时间的变化规律以及应力松弛曲线，其具有工程指导意义。      

燃气轮机叶轮非线性瞬态温度场的边界元分析

首先采用克希荷夫变换将包含变物性及混合和辐射边界条件的热扩散方程转换成线性方程，进一步由加权余量法和离散化将方程转变成边界元方程组。用所开发的二维线性—非线性瞬态温度场边界元程序分析计算了燃气轮机叶轮起动工况下的非稳态温度场，与有限元数值计算结果比较表明，边界元法应用于这类非线性工程问题的分析是可靠、初始精度高，数值稳定性好及计算输入数据简单等优点。     

粉末冶金酌-TiAl 系合金的性能及成形工艺

利用预合金球形粉末,制备了高性能的粉末冶金TiAl 系合金材料,对其性能和微观组织做了测试
和分析,并介绍了粉末冶金酌-TiAl 系合金的钎焊工艺和研制的部分典型样件。研究结果发现:粉末冶金TiAl 系
合金具有较高的力学性能、细小的微观组织和优异的抗氧化性能,能够成为研制某些飞行器的备选材料。     

基于人工神经网络的涡轮盘蠕变可靠性分析方法

用ADINA程序计算的涡轮盘盘缘蠕变位移量的有限个结果对人工神经网络进行训练。利用Monte-Carlo法对基本随机变量进行随机抽样,并基于随机有限元方法思想用人工神经网络代替有限元程序计算涡轮盘盘缘蠕变位移量,进而分析涡轮盘蠕变可靠性。