高温合金疲劳.docVIP

第一章 绪论 1.1 选题目的及意义 焊接结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的45%以上[1-2]，工业发达国家的这一比例已经接近70%。疲劳断裂是金属焊接结构典型的断裂形式之一。大量事实表明[3-8]：疲劳是焊接结构最主要破坏形式，由于疲劳裂纹引起的结构失效断裂事故占总断裂事故的70%～80%。而在航天发动机多种构件，如燃烧室的火箭筒，机匣、支板、尾喷气口调节片均是通过焊接结构。且航空发动机中焊接构件，特别是转动件，如涡轮叶片和涡轮盘等，常常要承受类似离心应力、振动应力等周期载荷作用，当这种载荷较大时，往往会造成疲劳断裂，给航空发动机和燃气轮机带来严重破坏，造成重大经济损失。因此，开展高温合金焊接结构的疲劳寿命分析和评估，对于正确合理的进行焊接结构设计，提高航空发动机正常稳定工作及安全，具有至关重要的意义。[1]。高温合金以其良好的高温强度和抗氧化腐蚀性能、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、断裂性能和组织稳定性，成为现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料。 按照不同的标准可以将高温合金分为以下几类[2]： （1）按基体不同可分：铁基、镍基、钼基、铌基和钨基等，它们在高温下都具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合会是最优的超耐热金属材料，经处理后，其使用温度可达1000～1100℃。 （2）按强化方式分：固溶强化、第二相强化和晶界强化高温合金。 （3）按生产工艺可分为：变形、铸造、粉末冶金和机械合金化高温合金。 1.1.2 高温合金的发展及应用 高温合金的发展离不开航空发动机的发展，而航空发动机的发展与各种军用飞机的发展密切相关。 英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家。1939年英国继德国Heinkel涡轮发动机问世之后，独立研制成Whittle发动机。为满足这种发动机热端部件的要求，英国国际镍公司于该年成功研制成Nimonic75合金[3]。美国高温合金的发展晚于英国。高温合金在美国的发展起始于上世纪三十年代，主要应用于飞机发动机的涡轮增压器。1942年美国钴业公司发展了Hastelloy B变形镍基合金，用于通用电器公司研制的Bellp—59喷气发动机。1943年在通用电器公司的J—33发动机使用了钴基合金HS-21制作涡轮工作叶片，代替原来选用的变形合金Hastelloy B，开创了使用铸造高温合金制作涡轮叶片的历史[4]。由于吸收了英国高温合金发展的宝贵经验，很快发展了40多种高温合金。1944年美国西屋公司的Yan Kee 19A发动机采用了钴基合金HS-23精密铸造叶片[5]。1950年由于钴资源短缺，镍基高温合金迅速发展，广泛用作涡轮叶片。这一时期，美国普惠公司、通用电器公司和特殊金属公司分别研制成功Waspalloy、M-252和Udimet 500等合金，并在这些合金的基础上，采用了类似于Nimonic合金的不断强化的方法，发展形成了Inconel、Mar-M和Udimet等牌号系统[6]。直到现在，镍基合金用量愈来愈大，用途愈来愈多。50年代，由于真空熔炼技术的出现，广泛发展了镍基铸造合金IN-100、Rene 100和B 1900[7]。60年代和70年代，高温合金在美国的新工艺蓬勃发展，工艺技术的发展超过了合金成分的研制，成为高温合金向前发展的主要推动力，发展了许多性能更优越的高温合金，如定向凝固（DS）合金，单晶（SC）合金和DS共晶合金。单晶合金的使用温度达到了合金熔点的90%。又如粉末合金和弥散强化高温合金，利用高温合金粉末制备高强度涡轮轮盘，利用弥散强化合金制备火箭筒、导向叶片和涡轮叶片。在高温合金的研究、生产和应用方面，美国在全世界处于领先地位。 中国航空工业自1951年4月开始建立，经历了从维修、仿制、改进、改型到自主研发的道路。最初仿制前苏联的米格15飞机，国产化发动机叫做WP5，中国高温合金的生产就是从试制WP5发动机所需高温合金开始的。1956年初由第二机械工业部和重工业部批准WP5发动机火箭筒材料GH3030合金的试制任务[8]。同年，在前苏联专家指导下，由抚顺钢厂将钢锭锻成板坯，表面质量良好[9]。1957年，沈阳发动机厂用国产GH3030板材加工成火焰筒，在WP5发动机上通过了长期试车考核[8]，我国第一个高温合金正式试制成功。继GH3030试制成功之后，抚顺钢厂又试制成功WP5用涡轮叶片合金GH4033和涡轮盘合金GH34，航空材料研究所试制成功涡轮导向叶片材料K412铸造镍基合金。到1957年底，歼5飞机发动机用4种高温合金全部试制成功[4]。1958年为配合WP6发动机的生产，开始对涡轮叶片合金GH4037、火箭筒材料GH3