粉末高温合金研究进展与应用

粉末高温合金由于特有的组织与性能已成为制造先进航空发动机涡轮盘的优选材料.为提升航空发动机的使用性能及可靠性,对粉末高温合金从材料、制造技术到涡轮盘的工程化应用进行全面和深入的研究,在粉末盘相应的关键技术上取得突破性进展,确立粉末盘制备的工艺路线,并制定工艺与检测的技术文件.为缩短研制周期,优化工艺过程.数值模拟技术也在粉末盘制备过程中得到广泛应用,并取得初步验证实验结果.     

Udimet 720 Li材料B-P型粘塑性本构建模研究

针对航空发动机用涡轮盘材料Udimet 720 Li,根据高温单轴实验结果,对其在各种载荷条件下的力学行为,开展了采用Bodner-Partom(B-P)统一型弹-粘塑性本构方程进行建模的研究.充分讨论了基于内变量理论的该型本构模型对率相关拉伸、循环硬化及蠕变等力学行为同时进行建模的能力;根据对模型的本构分析,给出了一种分类加整体考虑的模型参数优化策略.通过ABAQUS用户子程序,把该模型结合进了有限元方法,并进行了计算验证.研究表明B-P本构模型可较好地建模高温镍基合金Udimet 720 Li的各种力学行为.      

单晶叶片材料拉/压屈服特性的力学研究

在Ni基单相(γ′)单晶合金拉/压屈服规律的基础上,对单晶叶片材料(γ′和γ两相)进行了分析。给出了一组能反映其屈服规律的力学表达式和分析程序,并用实验结果进行验证。     

粉末高温合金FGH96惯性摩擦焊接头室温CTOD测试与分析

FGH96是采用损伤容限设计思想研制的新型粉末高温合金,是满足高推比、高燃效发动机使用要求的涡轮盘、环形件和其他热端部件的理想材料。FGH96惯性摩擦焊接头的CTOD值小于母材,其断口的韧窝小于母材。母材和接头断裂路径均为穿晶断裂。     

镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响

研究了用单晶刚玉砂轮磨削镍基高温合金GH4169时,磨削参数对表面完整性中的表面特征(表面粗糙度、表面形貌、表面显微硬度和表面残余应力)的影响,以期优化磨削参数.砂轮速度依次选择15,20,25m/s,磨削深度分别选择50,100,150μm,工件速度分别选择5,10,15m/min.研究结果表明:表面粗糙度对工件速度的变化最敏感,表面显微硬度对砂轮速度变化最敏感,表面残余应力对砂轮速度变化最敏感;同时表明了磨削参数对磨削表面形貌、显微硬度梯度、微观组织、残余应力梯度的影响,揭示了表面完整性中的变质层形成规律.其塑性变形层在5～10μm,显微硬度变化影响层为80～100μm,残余应力影响层厚度为80～200μm,其为磨削镍基高温合金表面完整性控制研究提供相关的实验数据基础.      

时变热辐射环境下高温合金蜂窝板三维热变形测量

轻质、高强和隔热性能优良的蜂窝合金板结构已广泛用于航空航天领域,其在模拟瞬态气动热环境下的热变形是高速飞行器热防护结构设计的重要参数之一.首先,用自行研制的红外辐射瞬态气动热实验模拟系统模拟与其服役环境类似的时变热辐射环境,用新型"主动成像"三维数字图像相关(3D-DIC)测量方法对高温合金蜂窝板结构试件在时变热辐射环境下不同时刻的三维热变形进行了测量.其次,为保证三维数字图像相关测量方法能有效实施,提出一种制作稳定的大面积高温散斑新方法,该方法制作的高温散斑能在整个实验过程中保持稳定,可作为高温变形的有效载体.最后,用Hoff等效刚度理论计算高温合金蜂窝板在稳态时的最大翘曲位移.研究结果表明:210 mm×210 mm的高温合金蜂窝板在单侧面辐射加热条件下其面内变形为均匀热变形,而离面变形为轴对称的翘曲变形,在900℃时其最大离面翘曲位移约为1.6 mm;Hoff等效刚度理论计算结果与实验结果相吻合.      

K42O2高温合金激光选区熔化成形微观组织研究

为了实现激光选区熔化成形(SLM)这项新工艺在液体火箭发动机高温合金结构上的推广应用,明晰其强化机理以及研究相应的热处理制度,对激光选区熔化快速凝固条件下组织形成及演化规律、第二相析出特点进行了分析和讨论.采用SLM成形K4202镍基高温合金试样,通过光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及X射线衍射(XRD)等理化分析手段,将基于ANSYS生死单元技术的温度场数值模拟结果和经典凝固理论相结合,揭示了其组织特征及演化规律:沉积态表现为外延生长柱状晶,层间可见层带组织,顶部出现转向枝晶和二次枝晶臂,γ'强化相和碳化物的析出受到抑制.     

SiO2非金属夹杂物对镍基粉末高温合金微观力学行为的影响

通过扫描电镜原位拉伸和原位疲劳实验,动态跟踪观察了SiO2类非金属夹杂物对FGH95合金裂纹萌生和扩展的影响规律.结果表明,在原位拉伸过程中,夹杂物处是裂纹萌生的择优位置,且沿与应力轴垂直或约45°向夹杂内部扩展.当主裂纹扩展到基体中之后,呈锯齿状向基体内扩展,但主裂纹所在平面仍与主应力轴垂直,其尖端变形带内有明显的滑移线出现.在原位疲劳过程中,主裂纹在夹杂物与基体界面处萌生,并在尖角应力集中处沿与主应力轴成45°向基体中扩展,随后沿垂直于主应力轴方向扩展至失稳断裂.夹杂物附近基体中的贫γ′相区,断口在两种加载条件下呈不同的断裂特征.     

夹杂物在FGH95中的损伤力学行为研究

通过损伤力学的研究方法模拟平面拉伸应力作用下夹杂物及周围基体中的应力场分布情况,并通过原位拉伸试验对模拟结果进行验证。结果表明,在夹杂为圆形的情况下,当基体处于弹性状态时,极点处将有一定的拉应力集中,裂纹将从该处萌生;当基体处于弹塑性状态时,应力集中位置将转移到赤道面处,裂纹在该处向基体中扩展。在夹杂为方形的情况下,裂纹在极点处萌生,并在尖角应力集中处向基体中扩展。模拟结果与试验结果的对比说明,在模拟过程中将基体分为弹性和弹塑性两个阶段是可行的。     

Cross-sectional deformation of H96 brass double-ridged rectangular tube in rotary draw bending process with different yield criteria

Different yield criterion has great difference in predicting the deformation of tube with different material. In order to improve the prediction accuracy of the cross-sectional deformation of the double-ridged rectangular tube (DRRT) during rotary draw bending (RDB) process, Mises isotropic yield criterion, Hill’48 and Barlat/Lian anisotropic yield criteria commonly used in practical engineering are introduced to simulate RDB of DRRT. The inverse method combining uniaxial tensile test of whole tube and response surface methodology was proposed to identify the parameters of Hill’48 and Barlat/Lian yield criteria of small-sized H96 brass extrusion DRRT as well. Then based on ABAQUS/Explicit platform, the FE models of RDB process of DRRT considering Mises, Hill’48 and Barlat/Lian yield criteria were built. The results show that: The variation trend of cross-sectional deformation ratio is same when using different yield criteria. The cross-sectional deformation ratio by using Mises yield criterion is close to that by using Hill’48 yield criterion. However, there is a quite difference between by using Barlat/Lian yield criterion and by using Mises or Hill’48 yield criteria. The prediction values of cross-sectional height deformation by using three yield criteria all underestimate the experiment ones, and the prediction values of cross-sectional width deformation overestimate the experiment ones. By comparing the simulation results of cross-sectional deformation of the DRRT with different yield criteria and experiment ones, Barlat/Lian yield criterion is found to be suitable for describing the RDB process of DRRT.