發(fā)布時間：2020-09-26 17:01

　　 針對航空發(fā)動機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車削加工變質層材料的微觀組織和物理力學性能為研究對象,探明切削加工變質層材料的微觀組織、加工硬化和殘余應力分布特征及其形成機制。在此基礎上,通過分析車削加工工藝參數對疲勞壽命的影響規(guī)律,進行切削加工工藝參數優(yōu)選,為提高高溫合金GH4169構件安全服役壽命提供理論依據。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上,闡明高溫合金GH4169切削加工變質層微觀組織、加工硬化和殘余應力的形成機制,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報模型;通過揭示GH4169加工表面完整性各表征參數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的敏感性分析,進行高溫合金GH4169車削加工工藝參數優(yōu)選。研究成果有助于豐富高溫合金構件的材料-制造-服役一體化技術體系的建立。主要研究內容包括: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車削加工變質層材料的微觀組織結構表征及形成機制;高溫合金GH4169切削加工變質層材料的物理力學性能研究;以及高溫合金GH4169抗疲勞車削加工工藝參數優(yōu)化研究。首先,對外圓車削過程中刀具-工件接觸區(qū)力、熱載荷進行分析的基礎上,建立刀具-工件接觸區(qū)的力/熱載荷解析模型。在此基礎上,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層的應變、應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加工表面變質層材料的微觀組織結構在宏觀、微觀、介觀和納觀尺度上進行觀測表征,揭示切削加工表面變質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);結合切削過程中工件表面微元的力/熱載荷強作用以及載荷作用時間短等特點,闡述高溫合金GH4169切削加工表面變質層材料的再結晶驅動條件,揭示孿晶、位錯交互作用下的GH4169切削變質層的再結晶晶粒細化機制。同時,進一步分析了車削加工工藝參數對高溫合金GH4169加工表面變質層晶粒梯度分布特征的影響規(guī)律。結果表明:在切削開始階段,加工表面變質層應變、應變率的增加導致層狀孿晶的形成,在位錯運動的作用下,孿晶內部的顯微組織由層狀向細化的亞晶結構轉變。隨著切削繼續(xù)進行,切削變形增大,變質層內亞晶組織在刀具機械力作用下轉動,導致亞晶晶界取向差增大,最終形成等軸狀的再結晶晶粒。其次,基于高溫合金GH4169車削加工表面變質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報模型;闡明車削速度和進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上,建立高溫合金GH4169車削加工表面殘余應力的有限元仿真模型;揭示切削加工過程中力、熱載荷對殘余應力分布狀態(tài)的影響規(guī)律,闡述GH4169車削加工表面晶粒細化層厚度和加工硬化層厚度對殘余應力分布特征的影響規(guī)律。結果表明:高溫合金GH4169加工表面變質層的顯微硬度沿切削深度方向呈梯度分布特征;對于切削變質層的殘余應力分布,熱載荷主要影響最大拉伸殘余應力σsur,而機械載荷主要影響拉伸應力層深度dsub和最大壓縮殘余應力σcom。最后,結合高溫合金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力集中系數Kf、加工硬化程度RHV、切削速度方向殘余應力S22、進給方向殘余應力S33、晶粒細化程度RD等的響應關系。研究結果表明:加工表面完整性表征參數對高溫(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力S22和表面疲勞應力集中系數Kf、晶粒細化程度RD和進給方向殘余應力S33;常溫(25℃)低周疲勞壽命對加工表面完整性表征參數變化的敏感性依次為加工硬化程度RHV、疲勞應力集中系數Kf、晶粒細化程度RD和表面殘余應力(S22、S33)。在本文試驗切削參數選取范圍內,車削加工切削速度應選取80-110m/min,進給量選取0.10-0.12mm/rev,可獲得較高的低周疲勞壽命。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：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)動機中的應用逡逑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。各相的結構、點陣常數及化學成分見表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￡要相的結構、點陣常數及化學成分ｍ逡逑￣邐點陣常數邐化學成分逡逑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。各相的結構、點陣常數及化學成分見表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￡要相的結構、點陣常數及化學成分ｍ逡逑￣邐點陣常數邐化學成分逡逑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型面心立方有序結構，如圖１－４邋（ｂ）。ｙ相與逡逑７相的結構相似。／相具有較高的強度并且在一定溫度范圍內隨溫度上升而提高，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］。當合金中７＇相含量較少時，Ｙ逡逑相尺寸對高溫合金ＧＨ４１６９強度的影響較明顯，研究發(fā)現／相尺寸在０．１？０．５／ｘｍ逡逑比較合適。當了邋Ｙ＇相含量達４０％以上時，７＇相尺寸大小對合金強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度［｜６］。逡逑高溫合金ＧＨ４１６９的相為有序體心四方有序結構（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〃相具有高的屈服強度（約為１３００ＭＰａ）

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