考虑预应变梯度影响的粉末高温合金疲劳行为及失效机理研究

With the increasing performance requirement, the turbine disk, as one key component in an aero-engine, is increasingly subjected to higher temperature and centrifugal loading. Thus, powder metallurgy (PM) superalloys have been widely used in advanced areo-engines due to excellent performance. For advanced areo-engines, one of the key problems is to further improve the fatigue properties of PM superalloy turbine disk. It is hoping to solve this problem by prestrain which could change material performance and service loading characters of structures. In this study, the prestrain gradient effect on fatigue behavior and failure mechanism of a powder metallurgy superalloy FGH4097 at elevated temperature are investigated based on the fatigue tests. In the tests, the crack initiation and propagation processes are monitored by means of in situ observation and the results are given in quantization form. The failure mechanisms are studied for the PM superalloy and its structures under prestrain conditions to investigate the prestrain gtadient effects. Furthermore, method for fatigue life prediction of the PM superalloy with considered prestrain gradient is developed. It could be to provide a way to investigate prestrain effects on the fatigue properties, and lay a foundation for the prestrain design of the PM superalloy turbine disk of advanced areo-engines.

随着航空发动机性能要求的提高，涡轮盘作为发动机中的关键结构件承受越来越高的温度和离心载荷，因而性能优异的粉末高温合金广泛应用于先进航空发动机中，对于先进航空发动机，如何进一步提高粉末高温合金涡轮盘的疲劳寿命成为关键问题之一，而通过预应变手段改善材料性能和结构服役载荷特征，将有望为这一问题的解决提供参考和借鉴。本研究以FGH4097为研究对象，开展考虑预应变梯度影响的粉末高温合金疲劳行为及失效机理研究，结合多方位原位观测的方式，量化研究预应变梯度对粉末高温合金疲劳裂纹萌生和扩展的影响规律，揭示预应变梯度条件下粉末高温合金的疲劳损伤机理，并进一步发展考虑预应变梯度影响的粉末高温合金疲劳寿命预测方法。本研究的完成可进一步完善预应变对材料疲劳寿命影响试验研究的手段、研究方法和理论模型，为先进航空发动机粉末高温合金涡轮盘强化设计奠定研究基础。

随着航空发动机性能要求的提高，涡轮盘作为发动机中的关键结构件，承受越来越高的温度和离心载荷，因而性能优异的粉末高温合金涡轮盘被广泛应用于先进航空发动机中，对于先进航空发动机，进一步提高粉末高温合金涡轮盘的低循环疲劳寿命成为亟需解决的问题。鉴于此，本研究以粉末高温合金FGH4097材料和结构模拟件为研究对象，开展了预应变和预应变梯度对高温低循环疲劳性能的影响研究：. 首先，开展了预应变对FGH4097合金材料拉伸性能的影响研究。试验结果表明，预应变提高了FGH4097合金的屈服强度，且随着预应变量的增加，其屈服强度逐渐增加。. 其次，开展了预应变对FGH4097合金材料表面状态和微观组织的影响研究。试验结果表明，随着预应变的增加，材料表面残余压应力降低，最终会转变为残余拉应力；表面粗糙度和硬度增大，且随着预应变的增加，其增大速度越来越快；材料的晶界变得越来越粗大。.再次，采用数值分析方法研究了预应变梯度对局部残余应力分布的影响规律，研究表明存在最佳的预应变梯度设计使得局部残余压应力最大，以有效提升结构件的低循环疲劳寿命。. 然后，基于数值分析结果，开展了预应变和预应变梯度对FGH4097合金材料和结构模拟件的高温低循环疲劳试验。试验结果表明，不同预应变条件对FGH4097合金材料的低循环疲劳寿命影响不明显，预应变未显著降低材料的低循环疲劳寿命，为结构件预应变梯度设计提供了支撑。在最佳预应变梯度条件下，FGH4097合金模拟结构件的寿命提升了3-5倍。. 最后，开展了预应变条件下FGH4097合金结构模拟试样的低循环疲劳寿命预测方法研究，建立了考虑预应变梯度影响的疲劳寿命预测方法，寿命预测结果表明，基于该方法预测的寿命结果与试验结果相比在3倍分散带以内。