高温合金GH4169车削加工表面完整性及抗疲劳加工工艺研究

发布时间：2020-09-26 17:01

　　针对航空发动机涡轮盘用高温合金因加工表面完整性差造成的疲劳寿命低等难题,论文以高温合金GH4169车削加工变质层材料的微观组织和物理力学性能为研究对象,探明切削加工变质层材料的微观组织、加工硬化和残余应力分布特征及其形成机制。在此基础上,通过分析车削加工工艺参数对疲劳寿命的影响规律,进行切削加工工艺参数优选,为提高高温合金GH4169构件安全服役寿命提供理论依据。本文在定量评价车削加工工件表面力/热载荷时域、空间域分布特征的基础上,阐明高温合金GH4169切削加工变质层微观组织、加工硬化和残余应力的形成机制,建立车削加工过程中力/热载荷场作用下的加工表面完整性预报模型;通过揭示GH4169加工表面完整性各表征参数对其低周疲劳性能的影响规律,以及疲劳寿命对车削加工工艺参数的敏感性分析,进行高温合金GH4169车削加工工艺参数优选。研究成果有助于丰富高温合金构件的材料-制造-服役一体化技术体系的建立。主要研究内容包括:高温合金GH4169车削过程中工件表面力/热载荷场的时域、空间域分布分析;高温合金GH4169车削加工变质层材料的微观组织结构表征及形成机制;高温合金GH4169切削加工变质层材料的物理力学性能研究;以及高温合金GH4169抗疲劳车削加工工艺参数优化研究。首先,对外圆车削过程中刀具-工件接触区力、热载荷进行分析的基础上,建立刀具-工件接触区的力/热载荷解析模型。在此基础上,建立车削过程的有限元仿真模型,获得高温合金车削过程中工件表面的力/热载荷,分析工件表面力/热载荷的时域、空间域分布特征。结果表明:切削过程中工件表面温升、温降的时间都在毫秒级,切削过程中工件表面变质层的应变、应变率和温度沿切削深度方向呈梯度化分布特征。然后,用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、背散射电子显微镜(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)等检测手段,对高温合金GH4169加工表面变质层材料的微观组织结构在宏观、微观、介观和纳观尺度上进行观测表征,揭示切削加工表面变质层材料的晶粒梯度分布特征(非晶-纳米晶-微米晶)和位错、孪晶形态;结合切削过程中工件表面微元的力/热载荷强作用以及载荷作用时间短等特点,阐述高温合金GH4169切削加工表面变质层材料的再结晶驱动条件,揭示孪晶、位错交互作用下的GH4169切削变质层的再结晶晶粒细化机制。同时,进一步分析了车削加工工艺参数对高温合金GH4169加工表面变质层晶粒梯度分布特征的影响规律。结果表明:在切削开始阶段,加工表面变质层应变、应变率的增加导致层状孪晶的形成,在位错运动的作用下,孪晶内部的显微组织由层状向细化的亚晶结构转变。随着切削继续进行,切削变形增大,变质层内亚晶组织在刀具机械力作用下转动,导致亚晶晶界取向差增大,最终形成等轴状的再结晶晶粒。其次,基于高温合金GH4169车削加工表面变质层晶粒尺寸梯度化分布特征,建立适用于多尺度晶粒(微米晶、纳米晶)的切削加工表面显微硬度的预报模型;阐明车削速度和进给量对加工表面材料硬化层深度和加工硬化程度的影响规律;在分析车削过程中工件表面力/热载荷的时域、空间域分布特征的基础上,建立高温合金GH4169车削加工表面残余应力的有限元仿真模型;揭示切削加工过程中力、热载荷对残余应力分布状态的影响规律,阐述GH4169车削加工表面晶粒细化层厚度和加工硬化层厚度对残余应力分布特征的影响规律。结果表明:高温合金GH4169加工表面变质层的显微硬度沿切削深度方向呈梯度分布特征;对于切削变质层的残余应力分布,热载荷主要影响最大拉伸残余应力σsur,而机械载荷主要影响拉伸应力层深度dsub和最大压缩残余应力σcom。最后,结合高温合金GH4169涡轮盘的服役特点,分析比较了常温(25℃)和高温(650℃)条件下加工表面完整性各表征参数对GH4169低周疲劳寿命的影响规律;基于高温合金低周疲劳试样断口的宏观、微观形貌特征,分析高温合金GH4169低周疲劳疲劳试验中疲劳裂纹起源、扩展和瞬断特征;建立25℃和650℃条件下GH4169低周疲劳寿命与疲劳应力集中系数Kf、加工硬化程度RHV、切削速度方向残余应力S22、进给方向残余应力S33、晶粒细化程度RD等的响应关系。研究结果表明:加工表面完整性表征参数对高温(650℃)低周疲劳寿命影响顺序依次为加工硬化程度RHV、切削速度方向残余应力S22和表面疲劳应力集中系数Kf、晶粒细化程度RD和进给方向残余应力S33;常温(25℃)低周疲劳寿命对加工表面完整性表征参数变化的敏感性依次为加工硬化程度RHV、疲劳应力集中系数Kf、晶粒细化程度RD和表面残余应力(S22、S33)。在本文试验切削参数选取范围内,车削加工切削速度应选取80-110m/min,进给量选取0.10-0.12mm/rev,可获得较高的低周疲劳寿命。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V261.21;TG51;TG132.3
【部分图文】：

弥散分布,高角,高温合金,暗场像

＇．Ｓ邋？Ｓｒ逡逑图１－２高温合金ＧＨ４１６９在航空发动机中的应用逡逑１．２．１邋＊温合金ＧＨ４１６９的冶金物理性能逡逑Ｗ温介金ＧＨ４丨６９的微观组织决定／邋Ｋ优异的踪合件能。品温介金ＧＨ４１６９材料逡逑的组织ｔ要包括Ｙ基休相、弥散分布的强化相如ｙ和Ｙ〃、５相以及碳氮化物等如逡逑阁１－３。各相的结构、点阵常数及化学成分见表１－１。逡逑■■■逡逑图１－３⑷高温合金ＧＨ４１６９的低倍高角环形暗场像，（ｂ）和（ｃ）分别为Ｙ相和／相的高分辨率逡逑高角环形暗场像ｌＭｌ逡逑表１－１邋ＧＨ４１６９￡要相的结构、点阵常数及化学成分ｍ逡逑￣逦点阵常数逦化学成分逡逑Ｎｂ邋Ａ１邋Ｔｉ邋Ｆｅ邋Ｃｒ邋Ｍｏ邋Ｓｉ逡逑￣逦Ａ１邋（ＦＣＣ）逦ａ＝０．３６１６逦Ｌ９７逦０＾７４逦０５２逦２２逦２Ｍ￣０．６４逡逑ｙ＇逦Ｌｂ邋（ＦＣＣ）逦ａ＝０．３６０５逦１０．２逦８逦９．４逦２．１５逦０．５逦０．４逦０．３５逡逑Ｎｉ？Ａｌ（Ｔｉ，Ｎｂ）逡逑ｙｕ逦ＤＯ２２邋（ＢＣＣ）逦ａ＝０．３６２４逦２５．１逦０．４４逦４．９２逦０．８６逦０．７６逦１．０５逦０．０１逡逑（Ｎｉ；Ｎｂ（Ｔｉ，Ａｌ））邋ｃ＝０．７４０６逡逑３逡逑

弥散分布,高温合金,在航,发动机

的组织ｔ要包括Ｙ基休相、弥散分布的强化相如ｙ和Ｙ〃、５相以及碳氮化物等如逡逑阁１－３。各相的结构、点阵常数及化学成分见表１－１。逡逑■■■逡逑图１－３⑷高温合金ＧＨ４１６９的低倍高角环形暗场像，（ｂ）和（ｃ）分别为Ｙ相和／相的高分辨率逡逑高角环形暗场像ｌＭｌ逡逑表１－１邋ＧＨ４１６９￡要相的结构、点阵常数及化学成分ｍ逡逑￣逦点阵常数逦化学成分逡逑Ｎｂ邋Ａ１邋Ｔｉ邋Ｆｅ邋Ｃｒ邋Ｍｏ邋Ｓｉ逡逑￣逦Ａ１邋（ＦＣＣ）逦ａ＝０．３６１６逦Ｌ９７逦０＾７４逦０５２逦２２逦２Ｍ￣０．６４逡逑ｙ＇逦Ｌｂ邋（ＦＣＣ）逦ａ＝０．３６０５逦１０．２逦８逦９．４逦２．１５逦０．５逦０．４逦０．３５逡逑Ｎｉ？Ａｌ（Ｔｉ，Ｎｂ）逡逑ｙｕ逦ＤＯ２２邋（ＢＣＣ）逦ａ＝０．３６２４逦２５．１逦０．４４逦４．９２逦０．８６逦０．７６逦１．０５逦０．０１逡逑（Ｎｉ；Ｎｂ（Ｔｉ，Ａｌ））邋ｃ＝０．７４０６逡逑３逡逑

高温合金,晶体结构

热腐蚀能力提升［１３］。时效过程中，Ｔ基体中可析出Ｙ＇、Ｙ〃和Ｓ三种不同的沉淀相，图逡逑卜５为ＧＨ４１６９得三相图。逡逑高温合金ＧＨ４１６９的ｙ相是Ｎｉ３Ａｌ型面心立方有序结构，如图１－４邋（ｂ）。ｙ相与逡逑７相的结构相似。／相具有较高的强度并且在一定温度范围内随温度上升而提高，逡逑这使得ｙ相成为高温合金最主要的强化相［ｉ４］。时效析出的／相的形状主要取决于析逡逑出温度和点阵错配度，多为方形、球形或片状［１５］。当合金中７＇相含量较少时，Ｙ逡逑相尺寸对高温合金ＧＨ４１６９强度的影响较明显，研究发现／相尺寸在０．１？０．５／ｘｍ逡逑比较合适。当了邋Ｙ＇相含量达４０％以上时，７＇相尺寸大小对合金强度的影响就不太明逡逑显，大尺寸的ｙ相存在也不会降低合金强度［｜６］。逡逑高温合金ＧＨ４１６９的相为有序体心四方有序结构（Ｄ０２２），如图１－４邋（ｃ）。Ｙ〃逡逑相形状一般为圆盘状或小片状［９］。ＧＨ４１６９合金ｙ〃相的平均直径为６０ｎｍ，厚度为逡逑８？９ｎｍ。ｙ〃相具有高的屈服强度（约为１３００ＭＰａ）

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