考虑静水压力和LODE 角的塑性模型 在GH4169 合金上的应用

针对典型盘用镍基高温合金GH4169,采用Bai-Wierzbizki(B-W)塑性理论对其塑性变形行为进行建模和应用评估。B-W塑性理论假设金属材料塑性变形仍服从von Mises屈服准则,但屈服函数考虑了静水压力和LODE角(偏应力第3不变量)对塑性行为的影响。采用Abaqus/Explicit商业有限元软件编制了该塑性模型的用户材料子程序,设计开展了GH4169合金的光滑、缺口圆棒和缺口平板拉伸试验,基于有限元分析和优化方法确定了B-W模型相关材料参数,对GH4169合金光滑和缺口拉伸响应曲线进行有限元预测,并与试验结果进行对比分析。结果表明:B-W模型预测的GH4169合金缺口圆棒和平板拉伸响应曲线与试验结果非常吻合,而基于传统von Mises塑性模型预测的GH4169合金缺口拉伸响应曲线均明显高于试验曲线。     

基于双参数寿命模型的抗疲劳制造结果参量分析方法

为评估抗疲劳主要参量对S-N曲线的作用规律,采用双参数疲劳寿命模型作为分析基础,引入材料本征S-N曲线概念,将制造参量转化为制造结果参量系数,在从理论模型角度系统分析各个参量对寿命曲线的作用规律的基础上,进一步对实验获得的高温合金GH4169在成型机加工、表面完整性机加工和表面高能强化三种制造工艺下的疲劳S-N数据进行疲劳抗力系数M_f和理论疲劳极限S_c对应力集中系数K_t的敏感性进行分析。结果表明:高能强化可显著提高光滑试样和缺口试样的疲劳性能;对于光滑构件或低应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了疲劳抗力系数;而对于高应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了理论疲劳极限;此外,利用结果参量系数分析S-N曲线的方法,对于理解抗疲劳制造机理具有重要参考价值。     

考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测

平均应力法用于航空发动机轮盘破裂转速预测时结果一般偏大,对于带螺栓孔的轮盘破裂转速预测误差更大。考虑局部应力效应对平均应力法进行修正,引入修正因子来表征轮盘子午面平均周向应力和危险部位局部应力对轮盘破裂转速的加权影响。通过开展典型轮盘材料GH4169的光滑试样和缺口试样拉伸试验,并开展了两件模拟盘破裂转速测量试验,得到修正因子与缺口强度比的关系,然后同时采用这两种方法对某涡轮盘的破裂转速进行了预测,并开展了验证试验。试验结果表明:平均应力法预测结果偏大,误差达到了9.4%,而考虑局部应力修正后,预测值仅略低于试验值,误差仅2.67%。考虑局部应力效应的轮盘子午面破裂转速预测方法简单可靠,具有较高的工程实用价值。      

基于临界距离理论的TC4合金缺口试样 低循环疲劳寿命预测

对TC4合金缺口试样的临界距离和低循环疲劳寿命分别进行了分析和预测.研究了缺口临界距离与疲劳寿命、载荷比、应力集中系数的相关关系及其对寿命预测结果的影响.研究结果表明:TC4合金缺口试样的临界距离不仅与疲劳寿命有关,还与载荷比和应力集中系数相关.载荷比相同时,临界距离与疲劳寿命之间可采用幂函数经验公式来描述.载荷比为-1和0.1时,TC4合金缺口试样的临界距离-疲劳寿命曲线基本重合,当载荷比增大为0.5时,临界距离明显增大.载荷比和疲劳寿命相同时,临界距离与应力集中系数近似成反比关系.寿命预测结果表明:采用临界距离理论预测TC4合金缺口疲劳寿命时,要获得更准确的疲劳寿命预测结果,应同时考虑临界距离与疲劳寿命、载荷比以及应力集中系数等因素的相关性.      

基于连续损伤力学的轮盘超转破裂行为预测与验证

为有效预测轮盘的超转破裂行为,建立了1种基于连续损伤力学的预测方法。给出了该方法下基于光滑拉伸试验数据的直接时效GH4169合金弹塑性本构模型参数与损伤模型参数确定方法。对缺口半径分别为0.5、2和5 mm的3种缺口圆棒试样的拉伸响应曲线进行了有限元计算,并与试验结果进行了对比。结果表明:该模型可以较准确地预测缺口试样的极限拉伸载荷和拉伸断裂变形。采用弧长法对模拟盘的超转破裂过程进行了非线性有限元计算,使用模拟盘超转破裂试验进行了验证。该模型不仅可以较准确地预测模拟盘的破裂转速,还能有效预测模拟盘的超转破裂模式。对于实际轮盘破裂转速预测具有一定的指导意义。     

高温合金GH4169在TIG焊接状态下的低周疲劳性能分析

通过对GH4169的TIG焊接件下进行低周疲劳性能测试,得到相应的试验数据,并将得出的数据进行拟合分析最终得出该GH4169焊接件薄板在该状态下的曲线、疲劳寿命、疲劳强度等力学性能指标。在进行性能测试时还针对薄板试验件做了相应的夹具以改善其在试验过程的试样状态合理有效。     

考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测

给出了几种典型拉-扭加载路径在新定义主坐标系下的π平面投影路径,并基于π平面投影路径提出了一种新的多轴疲劳损伤参量;考虑材料多轴加载的非比例附加强化效应,提出了一种非比例附加强化系数的预测方法和非比例度的定义方法;进一步考虑缺口试样多轴加载下的拉-扭应力梯度分布,结合有限元弹性分析的结果,提出了一种考虑多轴效应的等效应力梯度因子,从而发展了一种新的考虑应力梯度影响的多轴缺口疲劳寿命预测模型,并选用GH4169合金650℃下的多轴缺口疲劳试验结果对所提出的寿命模型进行验证。结果表明:①所提出的多轴疲劳损伤参量有明确的物理意义,不仅适用于多轴疲劳,也适用于单轴疲劳;②所提出的等效应力梯度因子仅需通过弹性有限元分析确定,适合工程实际应用;③新的寿命预测模型对GH4169材料多轴缺口疲劳试验的寿命预测结果较好,基本位于2倍分散带以内。      

GH4169高温合金高应变率本构关系试验研究

 基于高应变率下GH4169高温合金的本构关系是采用有限元法对GH4169高温合金进行切削加工数值分析研究的基础。本文针对GH4169高温合金,通过试验对其在温度为室温至1 000 ℃、应变率为2 000～10 000 s^-1的范围内的本构关系进行了研究。研究发现高应变率下GH4169高温合金的流动应力与塑性应变关系接近线性关系,同时温度影响着高应变率下应变率对本构关系的影响程度及方式。根据GH4169合金流动应力曲线的特点,对Johnson-Cook本构模型进行修正。基于试验结果,通过数据拟合确定了对应高应变率GH4169高温合金的材料常数,建立了描述GH4169高温合金高应变率下的本构模型,为切削加工有限元数值分析提供了理论基础,并为相关类似研究提供了思路。     

材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果的影响研究

为优化航空发动机轮盘结构设计,节约轮盘破裂转速预测成本,借助GH4169轮盘材料拉伸性能数据,采用基于塑性失稳准则和大变形有限元分析的轮盘破裂转速预测方法,分别利用双线性、多线性及非线性材料本构模型,分析探讨了材料性能分散性对轮盘破裂转速预测的影响.结果表明,在典型分散范围内考虑材料性能分散性对轮盘破裂转速预测结果有一...     

高温条件下DZ125缺口疲劳性能试验

研究了定向凝固合金DZ125 U型平板缺口试样在850℃下的缺口疲劳行为,进行了理论应力集中因子分别为1.91,3.01和4.35下的疲劳试验,原位观察了疲劳裂纹的萌生位置和扩展方向,并进行了疲劳寿命分析和裂纹萌生与扩展分析.结果表明:理论应力集中因子关联缺口疲劳寿命.随着名义应力的增加,缺口疲劳寿命对理论应力集中因子更敏感,而在低应力范围内,正好相反.通过原位观测技术,试验中还发现缺口疲劳裂纹的萌生和扩展并没有在最大轴向应力的缺口根部,而是缺口附近最大主应力位置.      

预应变对GH4169 合金低周疲劳行为的影响

为了研究发动机构件在实际工作中受到的轴向拉应力作用下疲劳行为的变化,开展了发动机常用材料GH4169合金在拉伸预应变条件下的低周疲劳行为的研究,得出疲劳寿命随预应变增加的变化规律。从宏观和微观2方面分析预变形对材料低周疲劳行为影响的变形机制。最终为解决实际工程中构件断裂等问题提供技术支持,同时也为评估航空发动机构件在产生预变形条件下的寿命,确保安全使用提供技术支撑。结果表明:随着预应变量的增加低周疲劳寿命降低,组织内位错密度、孪晶数量均增加,裂纹扩展长度减小。     

确定总应变寿命方程参数的一种方法

为了使总应变寿命方程能够在较大寿命范围内具有理想的预测精度且其参数物理意义明确,基于总应变寿命方程中疲劳强度系数与疲劳延性系数的物理意义,建立了总应变寿命方程参数与单调拉伸强度极限和断面收缩率之间的关系,并结合TC4,GH4169及GH901合金的单调拉伸及疲劳试验数据,对其各自的总应变寿命方程参数进行了拟合,进而开展了疲劳寿命预测.结果表明:采用该方法确定的总应变寿命方程参数具有明确的物理意义,且对TC4,GH4169及GH901合金的疲劳寿命预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内.      

某型航空发动机涡轮机匣选材论证分析

以某型航空发动机高、低压涡轮机匣选材为例,对温度、强度和寿命进行了计算分析,并结合生产成本、材料供应状况和工艺成熟度,提供了涡轮机匣材料选择的方法。分析结果表明：GH4169合金比较适合作为航空发动机涡轮机匣材料。     

GH4169合金直接时效锻造过程的数值模拟

直接时效（DA）锻造工艺已成为生产GH4169合金涡轮盘锻件的基本方法之一。但实施DA锻造工艺时,锻造过程的各个环节要求严格控制,而且要有足够吨位的设备。参照在压力机上实施DA工艺的终锻过程,用有限元变形-传热耦合分析方法对直径520mm和高度190mm的GH4169合金坯料在不同情况下的镦粗过程进行了数值模拟。大量计算结果表明,在压力机上实施DA锻造工艺时,为了获得优质GH4169合金涡轮盘锻件,应合理确定压力机滑块速度,尽可能改善润滑情况及适当提高模具预热温度。对于GH4169合金涡轮盘锻件,采用等温DA锻造工艺可能是最佳的选择。研究结果对于在国内的生产条件下实施GH4169合金DA锻造工艺具有指导作用。     

GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究

为了研究镍基GH4169高温合金自然萌生小裂纹的扩展行为,采用单边缺口拉伸(SENT)试样进行了室温下应力比R=0.1,0.5的小裂纹扩展试验。在长裂纹近门槛值区域,观察到明显的小裂纹效应,疲劳小裂纹扩展寿命占全寿命的大部分。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对试样断口表面进行微观分析,结果表明,疲劳小裂纹起始于合金中的夹杂(Ti(C,N)或Nb(C,N)),并且倾向于以半圆形向试样内部扩展。试样的断裂模式存在由晶体学小平面断裂向疲劳条带断裂的转变,该断裂模式转变处对应小裂纹扩展速率曲线上裂纹加速扩展前的急速降低点。     

GH4169合金近等温锻造

对GH4169合金进行近等温锻造试验,结果表明:近等温锻造GH4169合金微观组织和拉伸性能对温度场敏感高,对变形量和应变速率不敏感,有利于GH4169合金近等温加工成形.     

阴极调速法测定电解加工ηω-i曲线特性的试验研究及其应用

镍基高温合金GH4169是航空发动机叶片的常用材料。为了精确获取GH4169的ηω-i曲线特性,采用调节阴极进给速度的新方法,实时控制加工间隙,使加工过程迅速过渡到平衡状态。利用阴极调速法开展了电解加工试验,经过计算得出ηω-i曲线。结果表明:当电流密度i小于6A/cm2时,ηω值趋向于0;当i大于50A/cm2时,ηω保持在1.28mm3/(A.min)不变。针对某航空发动机叶片,基于阴极调速法和恒速法测定的ηω-i曲线特性,分别设计了工具阴极,并开展了对比工艺试验研究。研究表明:根据阴极调速法测得ηω-i曲线特性设计的阴极,加工出叶片的复制精度明显提高,叶片精度整体提高0.03mm,证明该方法测定ηω-i曲线特性更加准确。