粉末高溫合金FGH95和FGH96的熱機(jī)械疲勞性能

張國棟， 何玉懷， 蘇 彬

(北京航空材料研究院，北京 100095）

粉末高溫合金FGH95和FGH96的熱機(jī)械疲勞性能

張國棟， 何玉懷， 蘇 彬

(北京航空材料研究院，北京 100095）

對粉末高溫合金FGH95和FGH96進(jìn)行了溫度循環(huán)為350℃到600℃的同相位和反相位熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)。分析比較了兩種合金的熱機(jī)械疲勞滯后回線、循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為和疲勞壽命。研究結(jié)果表明:FGH95合金和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線拉壓對稱，合金表現(xiàn)出高強(qiáng)度低塑性的特點(diǎn);在相同總應(yīng)變范圍下，F(xiàn)GH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)塑性比FGH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)塑性大;FGH95合金和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為與熱機(jī)械載荷水平相關(guān);在相同的變形條件下，F(xiàn)GH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力比FGH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力小，從而導(dǎo)致了FGH96的熱機(jī)械疲勞性能好于FGH95的熱機(jī)械疲勞性能。

FGH95合金;FGH96合金;熱機(jī)械疲勞;滯后回線

航空發(fā)動機(jī)渦輪盤在高溫、高轉(zhuǎn)速的工作條件下，盤的不同部位存在溫度梯度，從而導(dǎo)致渦輪盤在承受機(jī)械載荷的同時(shí)，還承受由于溫度梯度引起的熱循環(huán)應(yīng)力。熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)和等溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn):某些材料的熱機(jī)械疲勞壽命要比上限溫度的等溫低循環(huán)疲勞壽命短［1］，F(xiàn)GH95合金就存在此類現(xiàn)象［2］?；谝陨显?，對于航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片和渦輪盤等關(guān)鍵部件只進(jìn)行等溫低周疲勞試驗(yàn)來進(jìn)行的抗疲勞設(shè)計(jì)，存在不安全因素，不能夠滿足安全設(shè)計(jì)的要求。因此，有必要對既承受機(jī)械載荷又承受熱載荷的材料進(jìn)行模擬實(shí)際工況的熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)。

目前，國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)的渦輪盤材料多為粉末高溫合金［3］，同時(shí)對粉末高溫合金的力學(xué)性能開展了廣泛深入的研究［4～8］，為粉末渦輪盤在航空發(fā)動機(jī)上的成功應(yīng)用提供了可靠的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。目前國內(nèi)粉末渦輪盤主要有 FGH95，F(xiàn)GH96和FGH97，因三種合金的力學(xué)性能差異以及對其力學(xué)性能對比研究開展不足，影響了航空發(fā)動機(jī)渦輪盤的選材。本工作主要研究了粉末合金FGH95和FGH96的熱機(jī)械疲勞性能及熱機(jī)械疲勞行為，對FGH95和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞性能進(jìn)行了對比評價(jià)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與試樣

試驗(yàn)材料為粉末合金 FGH95和 FGH96。將FGH95和FGH96合金加工為φ8mm和φ6mm的熱機(jī)械疲勞試樣。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在MTS810熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。采用機(jī)械應(yīng)變控制方式分別進(jìn)行了應(yīng)變比Rε=－1.0，350℃?600℃同相位熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)和反相位熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中采集的波形分別如圖1和圖2所示。從圖1和圖2可以看出，試驗(yàn)過程中的溫度循環(huán)控制的非常理想。

圖1 同相位的溫度-應(yīng)變Fig.1 Temperature vs strain of In-phase

圖2 反相位的溫度-應(yīng)變Fig.2 Temperature vs strain of Out-of-phase

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 典型的滯后回線

圖3～圖6中FGH95和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線的特征表明，此合金表現(xiàn)出高強(qiáng)度低塑性的特點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)變水平較高時(shí)(εmax≥0.5%），材料的同相位熱機(jī)械疲勞表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線，而當(dāng)應(yīng)變水平較低時(shí)(εmax＜0.5%），材料的同相位熱機(jī)械疲勞沒有明顯的應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線。從圖中可以發(fā)現(xiàn):滯后環(huán)拉壓對稱，而定向合金DZ125熱機(jī)械疲勞滯后環(huán)拉壓不對稱［9］，這說明熱機(jī)械疲勞滯后環(huán)的形狀與材料的基本力學(xué)性能和循環(huán)條件有關(guān)。

圖3 FGH95同相位應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線Fig.3 Stress-strain loop of In-phase in FGH95 alloy

2.2 FGH96與FGH95合金熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線的比較

通過對比FGH96與FGH95合金的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線的特征發(fā)現(xiàn)，在相同總應(yīng)變范圍下，F(xiàn)GH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)塑性比FGH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)塑性大，如圖7和圖8所示。

圖8 反相位應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線Fig.8 Stress-strain loop of Out-of-phase

2.3 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)

通過對比FGH95和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為研究可知，合金的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為與熱機(jī)械載荷水平相關(guān)。當(dāng)應(yīng)變水平較大時(shí)，合金表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化，隨著應(yīng)變水平的降低，合金循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為演化為循環(huán)軟化，如圖9～圖12所示。

2.4 熱機(jī)械疲勞壽命

圖13和圖14為兩種合金在對稱循環(huán)試驗(yàn)條件下的熱機(jī)械疲勞壽命曲線。從圖可以看出，無論是同相位，還是反相位，F(xiàn)GH96合金的熱機(jī)械疲勞壽命均比 FGH95合金熱機(jī)械疲勞壽命長，這說明FGH96合金的熱機(jī)械疲勞性能明顯好于FGH95合金的熱機(jī)械疲勞性能。

3 分析與討論

通過對FGH96合金和FGH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為的研究發(fā)現(xiàn)，在相同變形條件下，F(xiàn)GH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力比FGH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力大，如圖15和圖16所示。從而導(dǎo)致了FGH95合金的熱機(jī)械疲勞壽命比FGH96合金的熱機(jī)械疲勞壽命短。

4 結(jié)論

(1）FGH95和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞應(yīng)力-應(yīng)變滯后回線拉壓對稱，合金表現(xiàn)出高強(qiáng)度低塑性的特點(diǎn)。

(2）在相同總應(yīng)變范圍下，F(xiàn)GH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)塑性比FGH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)塑性大。

(3）FGH95和FGH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為與熱機(jī)械載荷水平相關(guān)。當(dāng)應(yīng)變水平較大時(shí)，合金表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化，隨著應(yīng)變水平的降低合金循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)行為演化為循環(huán)軟化。

(4）在相同的變形條件下，F(xiàn)GH96合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力比FGH95合金的熱機(jī)械疲勞循環(huán)應(yīng)力小，從而導(dǎo)致了FGH96的熱機(jī)械疲勞性能好于FGH95的熱機(jī)械疲勞性能。

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Thermal-Mechanical Fatigue Performance of Powder Metallurgy Superalloy FGH95 and FGH96

ZHANG Guo-dong， HE Yu-huai， SU Bin
(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

In-phase(IP）and Out-of-phase(OP）thermal-mechanical fatigue(TMF）behavior of powder metallurgy(PM）superalloy FGH95 and FGH96 were studied with maximum and minimum temperature of 350℃and 600℃.Stress-strain loop，cyclic stress response and fatigue life of TMF in two kinds of superalloy were analyzed.Stress-strain loop of TMF showed the characteristic of tensioncompression symmetry and of low plasticity with high strength.Cyclic stress response depended on magnitude of stain.At the same strain amplitude，it is found that the TMF cyclic stress of FGH96 is lower than the TMF cyclic stress of FGH95 alloy，and the cyclic plasticity of FGH96 alloy is more better than the cyclic plasticity of FGH95 alloy.Consequently TMF performance of FGH96 alloy is better than TMF performance of FGH95 alloy.

thermal-mechanical fatigue;In-phase;Out-of-phase;stress-strain loop;cyclic stress;fatigue life

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.6.017

V223;V215.5

A

1005-5053(2011）06-0096-05

2009-08-21;

2011-01-17

張國棟(1977—），男，碩士，主要從事合金冷熱疲勞研究，(E-mail）zgdhlx@sina.com。