镍基高温合金GH4169孔挤压强化数值模拟方法及参数影响

为探究孔挤压工艺在镍基高温合金上的应用,建立了镍基高温合金GH4169孔挤压工艺的数值模拟方法,并通过试验验证了方法的有效性,讨论了芯棒材料、挤压量和摩擦因数对周向残余应力分布的影响规律。结果表明:GH4169的挤压量上限为186%,并得到了挤压量和摩擦因数的优选范围;残余压应力层的深度受挤压量控制,在挤入面和挤出面都与挤压量呈正相关的线性关系,但存在最佳挤压量;挤压过程中芯棒会发生塑性变形,选材时要综合考虑芯棒的屈服强度和强度极限;摩擦因数仅影响孔边的残余应力分布,润滑不良时挤出面会因材料堆积而成为危险截面。     

孔挤压对于高温合金GH4169孔结构高温疲劳性能的影响

根据高压压气机盘螺栓孔结构,设计中心孔板材疲劳试样.表征了孔挤压强化后的表面轮廓,分析了在多种交变载荷条件下孔挤压前后试样的疲劳寿命,并进行了断口观察和疲劳过程中孔挤压残余应力的演化分析.结果表明:孔挤压强化减小了孔壁表面粗糙度,并使孔结构在多种高温大应力条件下（825MPa/600℃、825MPa/400℃和663MPa/600℃）的高温疲劳性能提高1～3倍,但疲劳数据分散度略有增大.孔挤压残余应力在最大拉应力为663MPa,温度为600℃,应力比为01条件下20000次疲劳试验中松弛到60%.原始试样的多源疲劳断口主要起源于孔边的加工刀痕,而挤压强化试样断口起源于孔挤压在倒角区域流动金属堆积处,为单源疲劳断口.      

GH4169孔挤压强化工艺过程数值模拟

在验证镍基高温合金GH4169中心孔挤压(CE)三维有限元模型正确性的基础上,利用单元删除法研究倒角、孔挤压-倒角顺序和铰削量3种具体工艺过程对孔边周向残余应力分布的影响。结果表明:孔边小于芯棒过盈量的初始倒角可以减小孔挤压后残余压应力;采用孔挤压-倒角的工艺顺序可以在孔边获得更小的残余压应力。铰孔可增大孔边入口处残余压应力,去除残余压应力极小值部分的材料。因此,在挤压强化后应尽量避免铰孔。     

孔挤压强化对FGH95合金室温及高温疲劳性能的影响

孔是一种典型的应力集中结构。本文研究了芯棒直接冷挤压对FGH95合金试样中心孔的高、低温疲劳寿命的影响规律,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及显微硬度计等仪器分析了疲劳断口和孔壁表面完整性主要参数,探讨了FGH95合金孔挤压强化机制。结果表明:相比未挤压试样,孔挤压试样在室温、650MPa的中值疲劳寿命提高了0.9倍以上,而527℃、575MPa的中值疲劳寿命提高了10.3倍以上。分析表明,孔壁经冷挤压后,孔壁表面粗糙度大幅下降,孔壁沿径向形成了一定深度的残余压应力层和组织硬化层,对中心孔试样的室温、高温疲劳寿命的提升具有重要作用。另外,晶界的存在和相邻晶粒的晶体学取向差异会对疲劳裂纹扩展路径产生显著的影响。     

高温氧化对粉末高温合金微观结构和疲劳性能影响研究

为了探究涡轮盘用粉末高温合金表面氧化对其低周疲劳性能的影响，分别针对第三代镍基粉末高温合金的粗晶(Coarse grain,CG)和细晶(Fine grain,FG)材料开展氧化时间对其疲劳性能影响机理的研究。通过在700℃空气环境下开展不同时长的高温预氧化实验和低周疲劳(Low-cycle fatigue,LCF)实验，使用SEM和EDS表征LCF断口、表面氧化层结构成分及其强化相形貌变化，揭示LCF裂纹萌生机理。实验结果表明，氧化层厚度随氧化时间而增加，氧元素以氧化侵入的形式进入基体；相同氧化时间下，CG抗氧化性能优于FG；疲劳裂纹萌生于氧化侵入和亚表面夹杂物等应力集中部位，在实验温度下LCF寿命受氧化作用和夹杂物共同影响；高温氧化作用下氧化层呈现分层结构，外层为NiO，中间层为含有Cr₂O₃,TiO₂等复杂氧化物及尖晶石相(NiCr₂O₄)的混合层，内层为Al₂O₃;CG二次γ’相氧化后平均尺寸增加，FG二次γ’相平均尺寸没有明...     

高温下取向对DD6单晶高温合金低周疲劳寿命的影响

对 76 0℃和 980℃两种温度下 [0 0 1],[0 11]和 [111]三种取向的DD6单晶高温合金的低周疲劳寿命进行了实验研究。结果表明 ,取向对其低周疲劳寿命有重要影响 ,[0 0 1]取向的寿命最高 ,[111]取向的寿命最低 ,通过引入应力幅值 ,可以在很大程度上消除取向的影响     

DD6单晶高温合金的低周疲劳寿命估算

建立了 DD6单晶高温合金杨氏模量、屈服强度和强化指数与取向定量关系。并用这三个力学参数对滞后能△W进行表达。进而用 Nf =C(△ W)β模型疲劳寿命进行予测 ,对 [0 0 1 ]、[0 1 1 ]和 [1 1 1 ]取向附近的多个取向进行的恒应力速率的低周疲劳试验表明 :实际寿命与该模型的预测寿命吻合得相当好     

孔挤压强化对2124铝合金疲劳寿命及微观组织的影响

采用疲劳试验、透射电镜、扫描电镜及X射线衍射仪等方法研究了2124-T851铝合金厚板不同参数孔挤压强化后疲劳寿命与显微组织的变化。结果表明：孔挤压强化后试样的疲劳寿命先随挤压量的增大而升高,随后又迅速降低,挤压量为0.4 mm时疲劳寿命达到峰值,较未强化增加12.66倍;组织观察结果表明孔挤压强化后,在孔壁强化层内形成了位错胞状结构和残余压应力,并且随挤压量增大先迅速增加然后趋于平缓,强化层的形成可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率;同时,适当的孔挤压强化可改善表面粗糙度,降低裂纹萌生几率,从而提高材料的疲劳寿命。     

加工表面粗糙度及其对GH4169高温合金疲劳寿命的影响

借助扫描电子显微镜观察和分析了用刚玉砂轮磨削ＧＨ４１６９高温合金的磨削表面形貌。通过试验，研究了ＧＨ４１６９高温合金表面粗糙度与加工参数间的关系；根据正交试验建立了磨削表面粗糙度的经验公式；分析了加工表面粗糙度对ＧＨ４１６９高温合金疲劳寿命的影响规律。     

加工表面完整性对GH4169高温合金疲劳寿命的影响

研究了ＧＨ４Ｉ６９高温合金的加工表面完整性对室温和６５０℃高温低周疲劳寿命的影响规律，研究结果表明，在低周疲劳条件下，表面粗糙度是主要影响因素，表面硬化对疲劳寿命有不利的影响，而残余应力对疲劳寿命的影响可以忽咯，这是由于残余应力在外加应力的作用下发生松弛，特别是在高温条件下，残余应力的松弛更为明显。     

GH4169合金疲劳裂纹扩展性能的试验研究

本研究中对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。主要进行了400℃～600℃范围内的疲劳裂纹扩展试验．其中对GH4169环形锻件进行了室温下的疲劳裂纹扩展试验。结果表明，在400℃-600℃范围内，温度对GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响很小，随温度上升，裂纹扩展速率稍有加快；优质成分对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能几乎没有影响，在相同温度下，YZGH4169与GH4169的疲劳裂纹扩展速率几乎一样；材料品种对YSGH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能有一定影响，YSGH4169锻件比棒材的疲劳裂纹扩展性能要好一些。     

直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能试验

对直接时效GH 4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。分别研究了厚度、温度、应力比等因素对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响。结果表明,在410 mm的厚度范围内,厚度对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展性能几乎没有影响,但厚度为2 mm且应力比为0.1时其裂纹扩展速率稍有下降;应力比对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展的影响随着应力比的提高逐渐减小;温度的提高对直接时效GH 4169的裂纹扩展速率有明显的加速作用,但是随着应力强度因子范围的增加,其影响逐渐减小,氧化作用是加速其裂纹扩展的主要机理。      

基于小裂纹理论的GH4169高温合金的疲劳全寿命预测

将基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法应用于恒幅载荷作用下的高温合金GH4169材料的全寿命预测。采用单边缺口试样研究了该合金在室温下应力比为0.1和0.5的自然萌生的小裂纹的起始和扩展行为,结果表明疲劳小裂纹均起始于试样表面夹杂,并且小裂纹扩展寿命占疲劳全寿命的大部分比例。在裂纹扩展速率da/d N低于10-5mm/cycle的区域,表现出明显的小裂纹效应。基于小裂纹和长裂纹的扩展数据,利用Newman裂纹闭合模型,获得了裂纹扩展的da/d N-ΔKeff基线数据。对高周疲劳试样的断口形貌进行观察,得到以材料夹杂尺寸作为初始裂纹尺寸的值ai。根据初始裂纹尺寸和裂纹扩展的基线数据,利用FASTRAN软件,对GH4169合金的疲劳全寿命进行预测,并用高周疲劳试验S-N数据对预测结果进行评价,预测与试验结果能够很好地吻合。     

表面再结晶对定向凝固高温合金高周疲劳行为的影响

采用悬臂旋转弯曲试验,研究定向凝固DZ4合金在喷丸预变形及热处理后产生的再结晶层对高周疲劳寿命的影响.结果表明,DZ4合金经过一定程度的预变形,在随后的高温热处理后表面会产生一定厚度的再结晶;再结晶层对DZ4合金高周疲劳寿命有一定影响;在一定喷丸强度范围内,随喷丸强度增加,疲劳寿命先减小后增大.     

冷却剂参数对铣槽喷管低周疲劳寿命的影响

采用有限体积流固耦合计算方法、非线性有限元热结构耦合分析方法和局部应变法研究大面积比铣槽喷管三维再生冷却槽道在循环工作条件下的热结构变形与低周疲劳寿命,并对比分析了冷却剂质量流量与入口温度对铣槽喷管疲劳使用寿命的影响.计算结果表明,铣槽喷管热结构响应呈现复杂的三维效应,应变较大位置主要分布在与肋连接的内衬区域,喷管中部的残余应变量最大;冷却槽道低周疲劳寿命分布和热结构响应基本一致,最小寿命位于喷管中部与肋相连的内衬区域燃气侧;随冷却剂质量流量增加,铣槽喷管低周疲劳寿命不断提高;随冷却剂入口温度增加喷管尾部低周疲劳寿命值不断降低,而喷管中前部的低周疲劳寿命值却不断提高,当冷却剂入口温度为280K左右时,本文的铣槽喷管总体使用寿命达到最大.     

新型刚玉砂轮磨削GH4169镍基高温合金的性能评价研究

镍基高温合金是航空发动机部件的常用材料,其磨削加工存在工具损耗严重、寿命短等难题.针对3种新研制的刚玉砂轮(分别为粒度60#的微晶和单晶混合磨料砂轮、粒度60#的单晶刚玉砂轮,以及粒度70#的单晶刚玉砂轮),开展了GH4169镍基高温合金材料的磨削试验,从磨削力、磨削温度、砂轮磨损以及表面粗糙度等方面对3种砂轮的磨削性...     

基于损伤力学的GH4169合金低循环裂纹萌生寿命预测

为了更准确地预估高温材料的低循环疲劳裂纹萌生寿命,将低循环疲劳的裂纹萌生过程视作损伤累积过程,基于连续损伤力学建立了损伤累积模型.结合360 ℃、650 ℃下GH4169合金的低循环疲劳寿命数据拟合出模型的具体表达式,进而开展了对低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测试验.结果表明:该方法针对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的预测结果较为理想,其分散带基本在2倍以内,且能很好的反映变幅加载对GH4169合金低循环疲劳裂纹萌生寿命的影响.     

定向凝固镍基高温合金缺口低循环疲劳性能及寿命预测

针对定向凝固(DS)镍基高温合金DZ125开展了850℃条件下不同缺口形式和不同理论应力集中系数(Kt)下的低循环疲劳(LCF)试验研究.利用弹塑性有限元分析缺口根部的应力应变场,并将传统临界距离理论(TCD)及其Kt修正形式引入SWT参数,以此开展缺口试件LCF寿命预测研究.结果表明:高温LCF强度同缺口几何形状关联不大,但具有强的Kt相关性;无论是将尖锐缺口试件作为校准试件还是对临界距离进行平均处理,传统TCD的点方法(PM)及线方法(LM)其寿命预测大于5倍分散带,且预测能力同缺口应力集中程度相关;改进TCD的点方法和线方法可得到小于2倍的分散带,且其预测精度与缺口几何形状无关.由于SWT参数可考虑平均应力(应力比)影响,故根据光滑试件和某Kt下缺口LCF试验数据便可以采用改进TCD预测其他缺口试件在不同应力比下的疲劳寿命,其应用简单、方便.     

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。