航空发动机高温合金涡轮盘抗疲劳制造评价方法研究_杨健

第34卷第1期

航空材料学报

Vol.34，No.1February2014

2014年2月JOUＲNALOFAEＲONAUTICALMATEＲIALS

航空发动机高温合金涡轮盘抗疲劳

制造评价方法研究

杨

健，刘国良，魏

磊，吕建勋，张

爽

（中航工业西安航空发动机（集团）有限公司材料检测研究中心，西安710021）

X射线残余应力检测等实验摘要：针对航空发动机高温合金涡轮盘的机加及喷丸强化表面，使用金相显微分析、技术手段，研究了高温合金涡轮盘的表面微观表征及评价方法、力学表征及评价方法。结果表明：（1）机械加工应变线、皱折、拉扯和白层等特征；喷丸表面微观形貌为表层组织剧烈变形、表面微观形貌主要包括：变形层、

晶格扭曲和双向交滑移；（2）喷丸后表面残余压应力处于725～850MPa范围内；（3）深度为0．02mm的表面划痕对FGH96涡轮盘的疲劳寿命影响较小，深度≤10μm的表面变形层对FGH96涡轮盘的疲劳寿命影响不明显。

关键词：高温合金涡轮盘；抗疲劳制造技术；表面完整性；显微组织；残余应力；评价方法doi：10.3969/j.issn.1005-5053.2014.1.015中图分类号：TG113

文献标识码：A

5053（2014）01-0086-08文章编号：1005-

涡轮盘是航空发动机的重要热端部件之一，它在

极其苛刻的条件下工作，飞行时承受复杂的机械应力和热应力的叠加作用，因此要求涡轮盘材料具有较高

［1，2］

。的低周疲劳性能、持久性能和良好的抗蠕变能力涡轮盘用高温合金一般为γ'相强化的镍基高温合金。

为适应航空发动机性能的不断提高，涡轮盘的工作温度及工作应力越来越高，导致γ'相在合金中的体积分

［3］

数不断增加，甚至达到50%～55%。为了适应航空发动机性能不断提高的要求，涡轮盘更多使用粉末冶金材料，粉末冶金制取的高温合金粉末细小，冷却极快，合金成分均匀，无宏观偏析，因而制件性能稳定，尤其是合金的屈服强度和疲劳性能有较大的提高。目前，粉末高温合金已经成为现代高推重比航空

［4～7］

。发动机涡轮盘等关键部件的必选材料

航空发动机涡轮盘失效多数为疲劳失效，而疲

劳失效的主要原因与零件表面的制造质量有关，因此研究抗疲劳制造技术是提高发动机寿命和可靠性的重要途径。目前，国外学者在抗疲劳制造技术方

［8］

面进行了大量研究。Kwong在研究ＲＲ1000高温合金的钻削表面完整性时，用X射线衍射法测量得到

了残余应力沿深度方向的分布，在工件表面100μm左右以下开始呈现残余压应力数对表面粗糙度影响很大

［9］

［8］

。Arunachalam研率

刀具几何参究涂层刀具切削Inconel718合金时发现，

。随后有研究［10～12］分析

了切削速率、进给量、切削深度对高温合金表面粗糙度的影响，研究表明切削速率是影响表面粗糙度的主

要因素。

抗疲劳制造技术是以疲劳性能指标为主要判断依据，通过控制表面完整性提高产品疲劳性能的制造技术。表面完整性是评价抗疲劳制造的技术指标，主要包含8项关键技术指标：即表面粗糙度、残

加工硬化、表面形貌、表面缺陷、金相组织、余应力、

棱边质量及其他特征。但对如何开展工程化应用，如何量化评价，如何建立评价方法等问题，都需要根

据不同零件特性开展研究。本研究针对航空发动机用高温合金涡轮盘的制造工艺和使用情况，开展表面完整性的相关研究，得到涡轮盘抗疲劳制造的评价指标，并在生产实践中得到了应用。

1

1．1

实验过程及方法

实验材料

01-05；修订日期：2013-10-20收稿日期：2013-作者简介：杨健（1960—），男，研究员，主要从事金属材料检测分析、材料工程应用性能评价、构件失效分析等研究，（E-mail）yang7643@163．com。

实验用材料为FGH96粉末合金，系实际生产中

其化学成分、性能指标、热涡轮盘的同批次随炉料，

处理制度等都与实际生产涡轮盘件相同。为了节

约试件，将车削和磨削弧齿归并在一个试环上进行，将钻孔、铣槽、磨削端面和拉削归并在同一个规格的试块上。试环直径为涡轮盘磨削弧齿部位

试块轴向长度为涡轮盘辐板直径单边放大10mm，

的长度加上预留车削夹持部分长度30mm，最终设

计的试环规格为外径200mm，内圆140mm，长

度为126mm，试块为边长50mm的6边形，厚度为44mm，如图1所示。本工作使用图1所示的实验件进行FGH96涡轮盘机加及喷丸表面显微形貌及残余应力检测

。

图1

Fig．1

实验件零件图（a）试环；（b）试块

（a）testring；（b）testblock

Themacromorphologyofexperimentalpart

1．2

机加及喷丸表面的金相检测

在图1所示试环和试块上进行机械加工及喷丸本研究采用x射线衍射法和剥层法，对高温合金涡轮盘及试块的残余应力及其深度进行测试，研究高温合金涡轮盘机加及喷丸表面残余应力变化。1．4

不同表面状态下的疲劳实验

为了研究不同表面状态对FGH96盘件疲劳寿

人为在试样表面制造了划痕，以此研究划命的影响，

强化，分别对机械加工和喷丸强化后的表面金相检

测。沿实验件纵向及横向用线切割切取金相试样，并用丙酮溶液超声波清洗 …… 此处隐藏：9558字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……