GH4169高温合金的低周疲劳变形行为及其损伤机理研究

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中文摘要：GH4169合金作为航空发动机主要用材，在其工作过程中承受着循环载荷，发动机部件60%以上的故障是由疲劳引起的，疲劳断裂是导致其过早失效的重要原因之一，航空发动机涡轮盘、叶片等构件属于热端部件，故对其疲劳的大部分研究聚焦在高温疲劳行为、损伤、失效等。但在飞机启停过程中，循环加载状态已经开始，此时处于常温状态，本课题以GH4169高温合金为研究对象，通过低周疲劳试验研究了该合金常温下的循环变形行为和变形机制，以及热腐蚀对疲劳行为的影响；结合OM、SEM、TEM以及EBSD等测试分析手段揭示了合金在疲劳过程中的微观组织和疲劳裂纹的演变规律，揭示了其断裂损伤机制。通过30%、50%和70%的热轧变形量制备了三种具有不同晶粒尺寸的GH4169合金，研究了不同晶粒尺寸对GH4169高温合金在中高应变幅下（0.5%-1.0%）的低周疲劳变形行为的影响。结果表明，合金经历初始的循环硬化后，随后表现出循环稳定或循环软化行为直至失效断裂。30%变形量的合金的塑性应变幅与疲劳寿命的Coffin-Manson关系呈单调线性关系，而50%和70%变形量的合金则呈双线性关系，同时70%变形量的合金在半寿命处的循环应力应变滞后回线具有Masing特性。三种不同晶粒尺寸的合金表现不同的变形行为主要与其在不同变形条件下的位错排布、变形方式、变形均匀程度以及断裂模式有关。研究了GH4169合金在低应变幅下（0.4%）的疲劳过程中微观组织的演变规律和裂纹的扩展规律，分析了位错形态与疲劳软硬化机制之间的关系。结果表明，随着循环次数的增加，变形机制由单滑移模式转变为多滑移模式，并形成微孪晶以协调晶粒内部的塑性变形，最终在晶界附近累积几何必要位错(GND)，这是疲劳裂纹萌生的主要原因。发现了不同于以往演化机制的位错壁/胞状结构，其形成与沉淀剪切和动态应变时效(DSA)过程有关，并在一定程度上促进了疲劳裂纹萌生。考虑取向、晶粒尺寸和塑性变形等因素，建立了以晶界能为基础的断裂模式判据。研究了GH4169合金经650℃熔盐热腐蚀后的低周疲劳变形行为，结果表明在所有的应变幅下，涂盐试样的疲劳寿命均低于未涂盐试样。涂盐试样的塑性应变随寿命的演变Coffin-Manson曲线呈单调线性而未涂盐试样呈双线性关系。随应变幅增加，二者均是从单滑移变为多滑移，变形不均匀程度降低。但涂盐试样在热腐蚀后表面存在腐蚀坑，会促进疲劳裂纹萌生，降低了其在低应变幅下的变形不均匀程度，最终导致涂盐试样的塑性应变-寿命曲线呈单一线性关系。

作者：

王一雯

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关键词：

高温合金低周疲劳断裂机理循环变形热腐蚀微观组织

授予学位：

硕士

学科专业：

材料与化工

导师：

康杰、高圣勇

学位年度：

2023

学位授予单位：

河北科技大学

语种：

中文

中图分类号：