GH4169高溫合金材料的力學性能實驗研究

2021-10-26 13:37:16許磊雷旭升

機械制造與自動化 2021年5期

許磊，雷旭升

(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京 210016)

0 引言

由于GH4169高溫合金材料具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能以及良好的加工性能、焊接性能和組織穩定性[1-2]，其在航空工業中的應用比較廣泛，在航空發動機中大量地被用于制造各種靜止件和轉動件，如盤件、機匣、軸、葉片等[3]。

當發動機工作時，高速旋轉的葉片會吸入硬物雜質。這些雜質會對葉片等旋轉結構造成小損傷，表現在宏觀上即為機械缺陷，如缺口和凹坑等，這樣會導致局部應力集中，實際工作中會引起航空發動機部件的疲勞破壞，表現為葉片等結構的高周疲勞失效[4-5]。能準確地找到這些疲勞損傷，并預測發動機壽命，具有重要的實際應用價值。由于GH4169的成分復雜，因此采用實驗法研究GH4169高溫合金及其缺口疲勞性能具有重要的工程意義[6-7]。

1 GH4169高溫合金靜拉伸試樣制備

該試驗材料由上海某公司提供。材料質量分數如表1所示。參考國標GB228 金屬材料室溫拉伸試驗方法制備了GH4169高溫合金靜拉伸試驗件如圖1所示。試驗件尺寸如圖2所示。靜拉伸試驗件厚度為2.8mm。

表1 GH4169高溫合金質量分數

圖1 GH4169靜拉伸試樣

圖2 試驗件尺寸圖

2 靜拉伸結果

本實驗使用的液壓伺服材料試驗機型號為MTS793，整套試驗設備如圖3所示。主要包括載荷框架、控制器及ups電源、水冷控制系統界面以及液壓油源等。

圖3 拉伸試驗機

為了得到GH4169高溫合金應力-應變曲線，進而得到材料的屈服強度和抗拉強度，共對GH4169高溫合金進行了兩次重復性靜拉伸試驗。拉伸結果如圖4所示。從圖中可以看出兩根試驗件的應力-應變曲線重復性較好，這說明材料靜拉伸性能穩定，試驗數據真實有效。

圖4 GH4169靜拉伸應力-應變曲線

拉伸后的斷裂結果如圖5所示。斷裂位置在試驗件中部，有頸縮現象，試驗有效。

圖5 靜拉伸斷裂結果

由實驗所得到的GH4169靜拉伸材料特性如表2所示。這個數據結果可以為GH4169疲勞壽命試驗奠定基礎。

表2 靜拉伸結果

3 疲勞試驗及結果

在靜拉伸試驗基礎上進行GH4169高溫合金光滑件和缺口件的疲勞壽命試驗。對光滑試驗件加載級分別為抗拉強度的55%、60%、64%、70%和75%，共5個等級，對應應力分別為701.25MPa、765MPa、817.7MPa、892.5MPa和956.25MPa。以名義應力對缺口件進行加載。加載的總名義應力為547.21MPa。加載級別為總名義應力的60%、70%和81%。對應的加載應力分別為328.3MPa、383.0MPa和443.2MPa，應力比為0.1，波形為正弦波，加載頻率為10Hz。試驗時按設定的循環載荷加載，直至試件斷裂，記錄每個試驗件的疲勞壽命。

圖6為GH4169高溫合金光滑件及其斷裂位置。圖7為GH4169缺口件及其斷裂位置。可以看出，斷裂位置在光滑試驗件平行段和缺口試驗件缺口處。證明數據有效。