粉末高溫合金FGH95和FGH96的熱機械疲勞性能

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進行了溫度循環為350℃到600℃的同相位和反相位熱機械疲勞試驗。分析比較了兩種合金的熱機械疲勞滯后回線、循環應力響應行為和疲勞壽命。研究結果表明:FGH95合金和FGH96合金的熱機械疲勞應力-應變滯后回線拉壓對稱，合金表現出高強度低塑性的特點;在相同總應變范圍下，FGH96合金的熱機械疲勞循環塑性比FGH95合金的熱機械疲勞循環塑性大;FGH95合金和FGH96合金的熱機械疲勞循環應力響應行為與熱機械載荷水平相關;在相同的變形條件下，FGH96合金的熱機械疲勞循環應力比FGH95合金的熱機械疲勞循環應力小，從而導致了FGH96的熱機械疲勞性能好于FGH95的熱機械疲勞性能。

FGH95合金;FGH96合金;熱機械疲勞;滯后回線

航空發動機渦輪盤在高溫、高轉速的工作條件下，盤的不同部位存在溫度梯度，從而導致渦輪盤在承受機械載荷的同時，還承受由于溫度梯度引起的熱循環應力。熱機械疲勞試驗和等溫低循環疲勞試驗的研究發現:某些材料的熱機械疲勞壽命要比上限溫度的等溫低循環疲勞壽命短［1］，FGH95合金就存在此類現象［2］。基于以上原因，對于航空發動機渦輪葉片和渦輪盤等關鍵部件只進行等溫低周疲勞試驗來進行的抗疲勞設計，存在不安全因素，不能夠滿足安全設計的要求。因此，有必要對既承受機械載荷又承受熱載荷的材料進行模擬實際工況的熱機械疲勞試驗。

目前，國內外航空發動機的渦輪盤材料多為粉末高溫合金［3］，同時對粉末高溫合金的力學性能開展了廣泛深入的研究［4～8］，為粉末渦輪盤在航空發動機上的成功應用提供了可靠的力學性能數據。目前國內粉末渦輪盤主要有 FGH95，FGH96和FGH97，因三種合金的力學性能差異以及對其力學性能對比研究開展不足，影響了航空發動機渦輪盤的選材。本工作主要研究了粉末合金FGH95和FGH96的熱機械疲勞性能及熱機械疲勞行為，對FGH95和FGH96合金的熱機械疲勞性能進行了對比評價。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料與試樣

試驗材料為粉末合金 FGH95和 FGH96。將FGH95和FGH96合金加工為φ8mm和φ6mm的熱機械疲勞試樣。

1.2 試驗裝置與方法

試驗在MTS810熱機械疲勞試驗機上進行的。采用機械應變控制方式分別進行了應變比Rε=－1.0，350℃?600℃同相位熱機械疲勞試驗和反相位熱機械疲勞試驗。

試驗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，試驗過程中的溫度循環控制的非常理想。

圖1 同相位的溫度-應變Fig.1 Temperature vs strain of In-phase

圖2 反相位的溫度-應變Fig.2 Temperature vs strain of Out-of-phase

2 試驗結果與分析

2.1 典型的滯后回線

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

圖3 FGH95同相位應力-應變滯后回線Fig.3 Stress-strain loop of In-phase in FGH95 alloy

2.2 FGH96與FGH95合金熱機械疲勞應力-應變滯后回線的比較

通過對比FGH96與FGH95合金的熱機械疲勞應力-應變滯后回線的特征發現，在相同總應變范圍下，FGH96合金的熱機械疲勞循環塑性比FGH95合金的熱機械疲勞循環塑性大，如圖7和圖8所示。

圖8 反相位應力-應變滯后回線Fig.8 Stress-strain loop of Out-of-phase

2.3 循環應力響應

通過對比FGH95和FGH96合金的熱機械疲勞循環應力響應行為研究可知，合金的循環應力響應行為與熱機械載荷水平相關。當應變水平較大時，合金表現出明顯的循環硬化，隨著應變水平的降低，合金循環應力響應行為演化為循環軟化，如圖9～圖12所示。

2.4 熱機械疲勞壽命

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

3 分析與討論

通過對FGH96合金和FGH95合金的熱機械疲勞循環應力響應行為的研究發現，在相同變形條件下，FGH95合金的熱機械疲勞循環應力比FGH96合金的熱機械疲勞循環應力大，如圖15和圖16所示。從而導致了FGH95合金的熱機械疲勞壽命比FGH96合金的熱機械疲勞壽命短。

4 結論

(1）FGH95和FGH96合金的熱機械疲勞應力-應變滯后回線拉壓對稱，合金表現出高強度低塑性的特點。

(2）在相同總應變范圍下，FGH96合金的熱機械疲勞循環塑性比FGH95合金的熱機械疲勞循環塑性大。

(3）FGH95和FGH96合金的熱機械疲勞循環應力響應行為與熱機械載荷水平相關。當應變水平較大時，合金表現出明顯的循環硬化，隨著應變水平的降低合金循環應力響應行為演化為循環軟化。

(4）在相同的變形條件下，FGH96合金的熱機械疲勞循環應力比FGH95合金的熱機械疲勞循環應力小，從而導致了FGH96的熱機械疲勞性能好于FGH95的熱機械疲勞性能。

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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。