定向凝固高温合金DZ125的蠕变-疲劳机理研究

发布时间：2020-06-10 23:58

【摘要】：航空发动机在长期的服役过程中经历着启动、慢车、巡航和加力等状态,其涡轮转子叶片承受复杂多场应力(如离心力、气动力、热应力等)作用。这些应力在发动机服役过程中发生周期性变化,其对应载荷谱表现为静态载荷与交变载荷耦合作用。在这种复杂苛刻的服役条件下,疲劳、蠕变和蠕变-疲劳交互作用是涡轮叶片失效的主要模式。本文以镍基定向凝固高温合金DZ125为研究目标,开展了多种载荷谱下蠕变-疲劳的失效机理研究,以及特定温度、应力下的持久寿命的预测。首先,综述各类材料的应力(应变)控制条件下的实验结果,进行横向比较,尝试寻求蠕变-疲劳的一般规律(试验数据方面和微观分析方面)。接着,基于DZ125的蠕变-疲劳实验结果:发现循环加载对DZ125的蠕变性能有重要影响,保载时间的引入降低了DZ125合金的持久寿命。在短时保载内,保载时间增加时,加速效应先增加后减小,对应的持久寿命先降低后升高;在长时保载内,保载时间增加循环加速效应不变,持久寿命基本不变。其次,对DZ125断口进行微观分析:DZ125合金的蠕变断口在宏观上表现为韧性断裂,蠕变断口整体形貌可划分为中心纤维区、向外的裂纹扩展区和最外层的剪切唇区;蠕变裂纹主要萌生于枝晶间的碳化物,共晶组织相嵌处也有少量裂纹萌生。DZ125合金在蠕变-疲劳短时保载时其断口表现为典型的疲劳形貌特征,长时保载试件断口中部区域则出现较多的蠕变孔洞,且断口附近表面氧化严重并含大量萌生的二次微小裂纹;蠕变-疲劳裂纹主要萌生于晶界处的共晶组织,且晶内的碳化物处同样有少量的裂纹萌生;由于应力场不同,裂纹的扩展方式也不同,晶界处的裂纹有沿晶和穿晶两种模式,晶内处的裂纹扩展模式多为先穿晶后沿晶。最后,对比与Miner线性累计损伤准则的预测结果,采用幂函数对保载时间与蠕变-疲劳循环寿命进行拟合,进一步预测不同保载时间下的持久寿命。该寿命模型可很好地预测850℃和980℃应力控制下的DZ125合金的持久寿命,且预测寿命均在2倍分散带以内。
【图文】：

图 1-1 Orowan 机制图2.3 晶界强化定向凝固合金虽然消除了与应力轴垂直的横向晶界，但是仍存在与应力轴的竖直晶界，且晶界强度对合金的蠕变性能有重要影响。定向凝固合金晶界强方法有以下两种：1）在合金当中加入 B、C 等元素，这些元素通过填充晶界处的空隙，从而使处原子的扩散速率，强化晶界。2）采用合适的热处理工艺，使第二相在晶界处析出，阻碍晶界的迁动，从而晶界。.3 定向凝固合金蠕变-疲劳寿命的影响因素影响材料的蠕变-疲劳性能的因素有很多，既可以为材料本身的因素，也可

图 1-2 技术路线1.4.3 主要内容基于主要的技术路线，本文各章所涉及的研究内容如下所示：第一章：简单的介绍一下定向凝固合金的发展、基本特点、强化机制等。第二章：对国内外典型高温合金材料在蠕变-疲劳条件下的变形行为、失效机理和持久性能进行了综述。第三章：实验部分，针对定向凝固高温合金 DZ125 开展不同保载时间的蠕变-疲劳实验，并对实验结果进行处理及分析。第四章：通过不同微观手段对 DZ125 的断口进行分析，进一步研究该合金的蠕变-疲劳行为，并基于微观观测分析了其失效机理。第五章：借鉴已有的蠕变-疲劳寿命预测模型对实验结果进行评估，，并提出一种适用于特定环境下的蠕变-疲劳持久寿命预测方法。第六章：总结了全文的研究工作并概括了主要工作结论，对今后在此论文基础
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V231.9;V252

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本文编号：2707062