材料斷裂理論與失效分析(共7頁)

1、材料斷裂理論(lln)與失效分析作業(yè)（8）航空發(fā)動機渦輪盤-葉片(ypin)結(jié)構(gòu) 材料為鎳基高溫(gown)合金，為什么？ 服役環(huán)境的要素有哪些？ 有可能發(fā)生的失效類型是什么？ 如何設(shè)計實驗確定失效的類型？ 改進的建議和措施一渦輪葉片的材料渦輪葉片處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位，是一種特殊的零件，它的數(shù)量多，形狀復(fù)雜，要求高，加工難度大，而且是故障多發(fā)的零件，一直以來各發(fā)動機廠的生產(chǎn)的關(guān)鍵。所以對渦輪葉片材料就有更高的要求。渦輪葉片的材料(cilio)一般選擇鎳基高溫(gown)合金(hjn)。鎳基合金就是以鎳為基礎(chǔ)，加入其他的金屬，比如鎢、鈷、鈦、鐵等金屬，做成以鎳為基礎(chǔ)的合金。

2、有的鎳基高溫合金含鎳量達到70%左右，其次Cr含量也比較高。其性能主要有：1.物理性能。具有較高的熔點和彈性模量；各溫度下均有較低的熱膨脹系數(shù)，且隨溫度變化不大；沒有磁性。2.耐腐蝕性。鎳基合金由于含Cr，在氧化性的腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕性優(yōu)于純鎳。同時，由于Ni含量高，在還原性腐蝕環(huán)境下也能維持良好的耐腐蝕性能。還具有良好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，也能抵抗氨氣和滲氮、滲碳氣氛。3.機械性能。鎳基高溫合金在零下、室溫及高溫時都具有很好的機械性能。4.高溫特性。高溫下耐氧化性極佳，對氮、氫以及滲碳也具有極佳的耐受性。5.熱處理及加工、焊接性。高溫鎳基合金不能通過熱處理進行失效硬化，但可以進行固溶熱處理和

3、退火處理等。高溫鎳基合金比較容易進行熱加工，冷加工性能比奧氏體不銹鋼好。焊接性能與標準奧氏體鋼一樣，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工電弧焊?？偟膩碚f，鎳基合金具有優(yōu)良的熱強熱硬性能、熱穩(wěn)定性能及熱疲勞性能，可以承受復(fù)雜應(yīng)力，組織穩(wěn)定，有害相少，高溫時抗氧化熱腐蝕性好，蠕變特性出色，能夠在相當苛刻的高溫環(huán)境下進行服役。所以渦輪葉片的材料選擇高溫鎳基合金。二.渦輪葉片的服役(f y)環(huán)境渦輪處于(chy)燃燒室后面的一個(y )高溫部件，而渦輪葉片處于溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位，即渦輪葉片的服役環(huán)境特別的復(fù)雜與惡劣?？偟脕碚f，渦輪葉片服役環(huán)境的要素主要有：1.不均勻的高溫條件下工作

4、。渦輪處于燃燒室后面的一個高溫部件，渦輪工作葉片的工作溫度大約在7201120，其在工作時已達到紅熱狀態(tài)，并且其溫度場不均勻，隨著飛行狀態(tài)的變化而承受不同的溫度，而且還存在高溫氧化，這些都使得渦輪葉片的服役環(huán)境非常惡劣。2.高轉(zhuǎn)速條件下工作。渦輪發(fā)動機靠渦輪葉片快速旋轉(zhuǎn)將燃氣壓縮排出，裝化為機械能，為航天器提供動力。3.高應(yīng)力和復(fù)雜應(yīng)力條件下工作。渦輪工作葉片承受很大的離心力及其彎矩，還要承受燃氣施加的很高的彎曲載荷、熱應(yīng)力，還有振動應(yīng)力和氣動力等復(fù)雜的應(yīng)力作用。4.受到燃氣高頻脈動及燃氣腐蝕的影響。渦輪工作葉片直接接觸高溫高壓燃氣，燃燒產(chǎn)生的燃氣含有大量的Na，V，S等熱腐蝕性元素，使得渦輪

5、工作葉片的工作環(huán)境更為苛刻。三可能發(fā)生的失效類型根據(jù)渦輪葉片的服役環(huán)境，可以推斷出渦輪葉片的失效方式大概分為正常失效和非正常失效兩種。1.正常失效(sh xio)中的葉片損傷包括由磨損、掉塊、內(nèi)裂等構(gòu)成(guchng)的表觀損傷和內(nèi)部冶金(yjn)組織損傷兩類。其中，內(nèi)部冶金組織損傷是指葉片在低于規(guī)定使用溫度和應(yīng)力的服役環(huán)境下發(fā)生的諸如相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的變化，脆性相生成等顯微組織的變化。導(dǎo)致的主要失效形式是蠕變失效，但同時還有高溫腐蝕、熱疲勞和低周疲勞及其交互作用等。蠕變損傷主要表現(xiàn)為蠕變孔洞和蠕變裂紋的產(chǎn)生。大多數(shù)渦輪葉片的失效方式為正常失效方式，即蠕變失效、蠕變疲勞交互作用導(dǎo)致

6、的失效和腐蝕失效。2.非正常失效是由于葉片設(shè)計不當、制備缺陷或人員操作不當引起的失效行為，主要表現(xiàn)為高周疲勞、超溫服役引起的過熱甚至過燒等失效形式?？偟膩碚f，渦輪葉片可能的失效類型主要為：疲勞失效、蠕變失效和過載斷裂等。四設(shè)計實驗確定失效的類型1.疲勞失效。金屬零件再使用中發(fā)生的疲勞斷裂具有突發(fā)性、高度局部性及對各種缺陷的敏感性等特點；引起疲勞斷裂的應(yīng)力一般很低，端口上經(jīng)?？捎^察到特殊的、反映斷裂各階段宏觀及微觀過程的特殊花樣。典型的疲勞端口的宏觀形貌結(jié)構(gòu)可分為疲勞核心、疲勞源區(qū)、疲勞裂紋的選擇發(fā)展區(qū)、裂紋的快速擴展區(qū)及瞬時斷裂區(qū)等五個區(qū)域。2.蠕變(r bin)失效。蠕變(r bin)斷裂是

7、材料在恒定應(yīng)力（應(yīng)力水平低于材料(cilio)的斷裂強度）作用下應(yīng)變時間逐漸增加，最后發(fā)生斷裂。明顯的塑性變形是蠕變斷裂的主要特征，在端口附近產(chǎn)生許多裂紋，使斷裂件的表面呈現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。另一個特征是高溫氧化現(xiàn)象，在端口表面形成一層氧化膜。沿晶斷裂截面上可以清楚地看到局部晶間的脫開及空洞現(xiàn)象，端口上存在與高溫氧化及環(huán)境因素相對應(yīng)的產(chǎn)物。3.過載斷裂。金屬構(gòu)件發(fā)生過載斷裂失效時，通常顯示一次加載斷裂的特征，其宏觀端口與拉伸試驗端口極為相似。過載斷裂的微觀特征為塑性變形痕跡及穿晶斷裂特征。4.實驗確定失效類型。（1）失效產(chǎn)品直觀檢查。首先直觀檢查葉片，尋找首斷件，并確定葉片斷口的位置，觀察斷口的顏色，

8、是否有其他的金屬飛濺物，是否存在氧化膜。觀察斷口附近是否有明顯的塑性變形，是否存在嚴重的掉快現(xiàn)象。（2）宏觀分析。用掃描電鏡觀察端口的宏觀形貌特征，找出裂紋源的位置，確定初裂紋的位置，并確定裂紋的擴展方向；觀察斷口表面的條紋花樣，觀察是否存在明顯的疲勞源區(qū)（通常出現(xiàn)在構(gòu)件表面）、擴展區(qū)（弧線、人字紋）、瞬斷區(qū)（高塑性為纖維狀，脆性為晶粒狀或放射狀），并確定斷裂區(qū)于疲勞源區(qū)的相對位置；觀察外圍是否存在剪切唇。大致確定葉片的失效類型。（3）微觀分析。用電子顯微鏡觀察端口的微觀形貌特征，尋找是否存在條狀花樣，尤其是疲勞輝紋即具有一定間距的、垂直于裂紋擴展方向、明暗相間且互相平行的條狀花樣。觀察是否存

9、在塑性變形痕跡，并確定斷裂為穿晶斷裂還是沿晶斷裂。（4）相結(jié)構(gòu)分析。用X-射線(shxin)衍射XRD分析斷口附近的相組成，并與葉片原材料鎳基合金中的相結(jié)構(gòu)進行對比(dub)，根據(jù)新生相或含量發(fā)生很大變化的相分析斷口附近在斷裂時或斷裂前發(fā)生的變化。從而更加準確的推斷斷裂(dun li)失效類型。（5）應(yīng)力分析。用X-射線應(yīng)力儀分析斷口及附近的應(yīng)力狀態(tài)，并分析斷裂時的應(yīng)力狀態(tài)，從而更好地區(qū)分過載斷裂與疲勞斷裂和蠕變斷裂，并可以用于區(qū)分為疲勞斷裂的哪一種類型。（6）熱損傷分析。用硬度儀對葉片斷口及附近進行硬度測量，并結(jié)合前面測出的斷口附近的相組織，對葉片的超高溫狀態(tài)進行評價，分析葉片是否存在超高溫

10、過熱跡象。通過對以上幾步的結(jié)果進行綜合分析，基本可以確定渦輪葉片的斷裂失效類型。五.改進的建議與措施1.渦輪葉片材料。目前航空發(fā)動機渦輪葉片使用的材料主要是以鎳、鈷、鐵為基的合金，其熔點在1800K左右。但為了為使航空燃氣渦輪發(fā)動機在尺寸小、重量輕的情況下獲得高性能，主要的措施是采用更高的燃氣溫度，這就使得渦輪葉片的工作環(huán)境更為苛刻。為了更好的使渦輪葉片適應(yīng)更高的要求，可以加快研發(fā)采用耐熱性更高的鈮或鉬基合金。并且可以在渦輪葉片的材料表面涂覆耐熱性很高的陶瓷材料保護。2.結(jié)構(gòu)(jigu)優(yōu)化設(shè)計。（1）對渦輪盤和渦輪葉片的形狀進行優(yōu)化，減少渦輪旋轉(zhuǎn)的摩擦與阻力，降低渦輪工作時的應(yīng)力應(yīng)變(yng

11、bin)脈動。（2）采用(ciyng)拓撲優(yōu)化的空心渦輪盤，可以有效的降低渦輪質(zhì)量從而達到不需要太大提高燃氣溫度而提高發(fā)動機性能的目的。（3）優(yōu)化渦輪盤及渦輪葉片，改變其固有頻率，使固有頻率與渦輪工作時的振動頻率相差較遠，降低振動對渦輪的影響。（4）采用更有效的冷卻系統(tǒng)，這可以有效的降低渦輪葉片的工作溫度，延長渦輪葉片的壽命，并且可以提高燃氣的進口溫度，增加渦輪發(fā)動機的性能。3.工藝優(yōu)化設(shè)計。采用合理的制作工藝和成形工藝，使渦輪盤及葉片獲得組織致密均勻的細小組織，可以極大的提高渦輪的工作性能。（1）采用先進的制備工藝：先進的鑄鍛變形工藝提高了坯件的質(zhì)量與塑性；粉末冶金工藝提高了熱加工性能和合金屈服強度及疲勞性能等綜合力學(xué)性能；噴射成形工藝獲得整體致密、成分均勻、組織細化、結(jié)構(gòu)完整、接近零件最終形狀的材料坯件。（2）采用先進的成形技術(shù)：等溫超塑性鍛造成形加工余量小，表面完整，組織均勻；接近等溫變形條件的渦輪盤鍛造提高高溫塑性；直接熱等靜壓成形以最小的加工余量成形接近零件最終形狀的半成品。內(nèi)容總結(jié)（1）材料斷裂理論