發(fā)布時間：2020-09-26 17:01

　　 針對航空發(fā)動機(jī)渦輪盤用高溫合金因加工表面完整性差造成的疲勞壽命低等難題,論文以高溫合金GH4169車削加工變質(zhì)層材料的微觀組織和物理力學(xué)性能為研究對象,探明切削加工變質(zhì)層材料的微觀組織、加工硬化和殘余應(yīng)力分布特征及其形成機(jī)制。在此基礎(chǔ)上,通過分析車削加工工藝參數(shù)對疲勞壽命的影響規(guī)律,進(jìn)行切削加工工藝參數(shù)優(yōu)選,為提高高溫合金GH4169構(gòu)件安全服役壽命提供理論依據(jù)。本文在定量評價車削加工工件表面力/熱載荷時域、空間域分布特征的基礎(chǔ)上,闡明高溫合金GH4169切削加工變質(zhì)層微觀組織、加工硬化和殘余應(yīng)力的形成機(jī)制,建立車削加工過程中力/熱載荷場作用下的加工表面完整性預(yù)報模型;通過揭示GH4169加工表面完整性各表征參數(shù)對其低周疲勞性能的影響規(guī)律,以及疲勞壽命對車削加工工藝參數(shù)的敏感性分析,進(jìn)行高溫合金GH4169車削加工工藝參數(shù)優(yōu)選。研究成果有助于豐富高溫合金構(gòu)件的材料-制造-服役一體化技術(shù)體系的建立。主要研究內(nèi)容包括:高溫合金GH4169車削過程中工件表面力/熱載荷場的時域、空間域分布分析;高溫合金GH4169車削加工變質(zhì)層材料的微觀組織結(jié)構(gòu)表征及形成機(jī)制;高溫合金GH4169切削加工變質(zhì)層材料的物理力學(xué)性能研究;以及高溫合金GH4169抗疲勞車削加工工藝參數(shù)優(yōu)化研究。首先,對外圓車削過程中刀具-工件接觸區(qū)力、熱載荷進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,建立刀具-工件接觸區(qū)的力/熱載荷解析模型。在此基礎(chǔ)上,建立車削過程的有限元仿真模型,獲得高溫合金車削過程中工件表面的力/熱載荷,分析工件表面力/熱載荷的時域、空間域分布特征。結(jié)果表明:切削過程中工件表面溫升、溫降的時間都在毫秒級,切削過程中工件表面變質(zhì)層的應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度沿切削深度方向呈梯度化分布特征。然后,用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、背散射電子顯微鏡(EBSD)和透射電子顯微鏡(TEM)等檢測手段,對高溫合金GH4169加工表面變質(zhì)層材料的微觀組織結(jié)構(gòu)在宏觀、微觀、介觀和納觀尺度上進(jìn)行觀測表征,揭示切削加工表面變質(zhì)層材料的晶粒梯度分布特征(非晶-納米晶-微米晶)和位錯、孿晶形態(tài);結(jié)合切削過程中工件表面微元的力/熱載荷強(qiáng)作用以及載荷作用時間短等特點,闡述高溫合金GH4169切削加工表面變質(zhì)層材料的再結(jié)晶驅(qū)動條件,揭示孿晶、位錯交互作用下的GH4169切削變質(zhì)層的再結(jié)晶晶粒細(xì)化機(jī)制。同時,進(jìn)一步分析了車削加工工藝參數(shù)對高溫合金GH4169加工表面變質(zhì)層晶粒梯度分布特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明:在切削開始階段,加工表面變質(zhì)層應(yīng)變、應(yīng)變率的增加導(dǎo)致層狀孿晶的形成,在位錯運動的作用下,孿晶內(nèi)部的顯微組織由層狀向細(xì)化的亞晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。隨著切削繼續(xù)進(jìn)行,切削變形增大,變質(zhì)層內(nèi)亞晶組織在刀具機(jī)械力作用下轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致亞晶晶界取向差增大,最終形成等軸狀的再結(jié)晶晶粒。其次,基于高溫合金GH4169車削加工表面變質(zhì)層晶粒尺寸梯度化分布特征,建立適用于多尺度晶粒(微米晶、納米晶)的切削加工表面顯微硬度的預(yù)報模型;闡明車削速度和進(jìn)給量對加工表面材料硬化層深度和加工硬化程度的影響規(guī)律;在分析車削過程中工件表面力/熱載荷的時域、空間域分布特征的基礎(chǔ)上,建立高溫合金GH4169車削加工表面殘余應(yīng)力的有限元仿真模型;揭示切削加工過程中力、熱載荷對殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響規(guī)律,闡述GH4169車削加工表面晶粒細(xì)化層厚度和加工硬化層厚度對殘余應(yīng)力分布特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明:高溫合金GH4169加工表面變質(zhì)層的顯微硬度沿切削深度方向呈梯度分布特征;對于切削變質(zhì)層的殘余應(yīng)力分布,熱載荷主要影響最大拉伸殘余應(yīng)力σsur,而機(jī)械載荷主要影響拉伸應(yīng)力層深度dsub和最大壓縮殘余應(yīng)力σcom。最后,結(jié)合高溫合金GH4169渦輪盤的服役特點,分析比較了常溫(25℃)和高溫(650℃)條件下加工表面完整性各表征參數(shù)對GH4169低周疲勞壽命的影響規(guī)律;基于高溫合金低周疲勞試樣斷口的宏觀、微觀形貌特征,分析高溫合金GH4169低周疲勞疲勞試驗中疲勞裂紋起源、擴(kuò)展和瞬斷特征;建立25℃和650℃條件下GH4169低周疲勞壽命與疲勞應(yīng)力集中系數(shù)Kf、加工硬化程度RHV、切削速度方向殘余應(yīng)力S22、進(jìn)給方向殘余應(yīng)力S33、晶粒細(xì)化程度RD等的響應(yīng)關(guān)系。研究結(jié)果表明:加工表面完整性表征參數(shù)對高溫(650℃)低周疲勞壽命影響順序依次為加工硬化程度RHV、切削速度方向殘余應(yīng)力S22和表面疲勞應(yīng)力集中系數(shù)Kf、晶粒細(xì)化程度RD和進(jìn)給方向殘余應(yīng)力S33;常溫(25℃)低周疲勞壽命對加工表面完整性表征參數(shù)變化的敏感性依次為加工硬化程度RHV、疲勞應(yīng)力集中系數(shù)Kf、晶粒細(xì)化程度RD和表面殘余應(yīng)力(S22、S33)。在本文試驗切削參數(shù)選取范圍內(nèi),車削加工切削速度應(yīng)選取80-110m/min,進(jìn)給量選取0.10-0.12mm/rev,可獲得較高的低周疲勞壽命。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V261.21;TG51;TG132.3
【部分圖文】：

＇．Ｓ邋？Ｓｒ逡逑圖１－２高溫合金ＧＨ４１６９在航空發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用逡逑１．２．１邋＊溫合金ＧＨ４１６９的冶金物理性能逡逑Ｗ溫介金ＧＨ４丨６９的微觀組織決定／邋Ｋ優(yōu)異的蹤合件能。品溫介金ＧＨ４１６９材料逡逑的組織ｔ要包括Ｙ基休相、彌散分布的強(qiáng)化相如ｙ和Ｙ〃、５相以及碳氮化物等如逡逑閣１－３。各相的結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)及化學(xué)成分見表１－１。逡逑■■■逡逑圖１－３⑷高溫合金ＧＨ４１６９的低倍高角環(huán)形暗場像，（ｂ）和（ｃ）分別為Ｙ相和／相的高分辨率逡逑高角環(huán)形暗場像ｌＭｌ逡逑表１－１邋ＧＨ４１６９￡要相的結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)及化學(xué)成分ｍ逡逑￣邐點陣常數(shù)邐化學(xué)成分逡逑Ｎｂ邋Ａ１邋Ｔｉ邋Ｆｅ邋Ｃｒ邋Ｍｏ邋Ｓｉ逡逑￣邐Ａ１邋（ＦＣＣ）邐ａ＝０．３６１６邐Ｌ９７邐０＾７４邐０５２邐２２邐２Ｍ￣０．６４逡逑ｙ＇邐Ｌｂ邋（ＦＣＣ）邐ａ＝０．３６０５邐１０．２邐８邐９．４邐２．１５邐０．５邐０．４邐０．３５逡逑Ｎｉ？Ａｌ（Ｔｉ，Ｎｂ）逡逑ｙｕ邐ＤＯ２２邋（ＢＣＣ）邐ａ＝０．３６２４邐２５．１邐０．４４邐４．９２邐０．８６邐０．７６邐１．０５邐０．０１逡逑（Ｎｉ；Ｎｂ（Ｔｉ，Ａｌ））邋ｃ＝０．７４０６逡逑３逡逑

的組織ｔ要包括Ｙ基休相、彌散分布的強(qiáng)化相如ｙ和Ｙ〃、５相以及碳氮化物等如逡逑閣１－３。各相的結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)及化學(xué)成分見表１－１。逡逑■■■逡逑圖１－３⑷高溫合金ＧＨ４１６９的低倍高角環(huán)形暗場像，（ｂ）和（ｃ）分別為Ｙ相和／相的高分辨率逡逑高角環(huán)形暗場像ｌＭｌ逡逑表１－１邋ＧＨ４１６９￡要相的結(jié)構(gòu)、點陣常數(shù)及化學(xué)成分ｍ逡逑￣邐點陣常數(shù)邐化學(xué)成分逡逑Ｎｂ邋Ａ１邋Ｔｉ邋Ｆｅ邋Ｃｒ邋Ｍｏ邋Ｓｉ逡逑￣邐Ａ１邋（ＦＣＣ）邐ａ＝０．３６１６邐Ｌ９７邐０＾７４邐０５２邐２２邐２Ｍ￣０．６４逡逑ｙ＇邐Ｌｂ邋（ＦＣＣ）邐ａ＝０．３６０５邐１０．２邐８邐９．４邐２．１５邐０．５邐０．４邐０．３５逡逑Ｎｉ？Ａｌ（Ｔｉ，Ｎｂ）逡逑ｙｕ邐ＤＯ２２邋（ＢＣＣ）邐ａ＝０．３６２４邐２５．１邐０．４４邐４．９２邐０．８６邐０．７６邐１．０５邐０．０１逡逑（Ｎｉ；Ｎｂ（Ｔｉ，Ａｌ））邋ｃ＝０．７４０６逡逑３逡逑

熱腐蝕能力提升［１３］。時效過程中，Ｔ基體中可析出Ｙ＇、Ｙ〃和Ｓ三種不同的沉淀相，圖逡逑卜５為ＧＨ４１６９得三相圖。逡逑高溫合金ＧＨ４１６９的ｙ相是Ｎｉ３Ａｌ型面心立方有序結(jié)構(gòu)，如圖１－４邋（ｂ）。ｙ相與逡逑７相的結(jié)構(gòu)相似。／相具有較高的強(qiáng)度并且在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度上升而提高，逡逑這使得ｙ相成為高溫合金最主要的強(qiáng)化相［ｉ４］。時效析出的／相的形狀主要取決于析逡逑出溫度和點陣錯配度，多為方形、球形或片狀［１５］。當(dāng)合金中７＇相含量較少時，Ｙ逡逑相尺寸對高溫合金ＧＨ４１６９強(qiáng)度的影響較明顯，研究發(fā)現(xiàn)／相尺寸在０．１？０．５／ｘｍ逡逑比較合適。當(dāng)了邋Ｙ＇相含量達(dá)４０％以上時，７＇相尺寸大小對合金強(qiáng)度的影響就不太明逡逑顯，大尺寸的ｙ相存在也不會降低合金強(qiáng)度［｜６］。逡逑高溫合金ＧＨ４１６９的相為有序體心四方有序結(jié)構(gòu)（Ｄ０２２），如圖１－４邋（ｃ）。Ｙ〃逡逑相形狀一般為圓盤狀或小片狀［９］。ＧＨ４１６９合金ｙ〃相的平均直徑為６０ｎｍ，厚度為逡逑８？９ｎｍ。ｙ〃相具有高的屈服強(qiáng)度（約為１３００ＭＰａ）

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