粉末高温合金FGH95和FGH96的热机械疲劳性能

张国栋， 何玉怀， 苏 彬

(北京航空材料研究院，北京 100095）

粉末高温合金FGH95和FGH96的热机械疲劳性能

张国栋， 何玉怀， 苏 彬

(北京航空材料研究院，北京 100095）

对粉末高温合金FGH95和FGH96进行了温度循环为350℃到600℃的同相位和反相位热机械疲劳试验。分析比较了两种合金的热机械疲劳滞后回线、循环应力响应行为和疲劳寿命。研究结果表明:FGH95合金和FGH96合金的热机械疲劳应力-应变滞后回线拉压对称，合金表现出高强度低塑性的特点;在相同总应变范围下，FGH96合金的热机械疲劳循环塑性比FGH95合金的热机械疲劳循环塑性大;FGH95合金和FGH96合金的热机械疲劳循环应力响应行为与热机械载荷水平相关;在相同的变形条件下，FGH96合金的热机械疲劳循环应力比FGH95合金的热机械疲劳循环应力小，从而导致了FGH96的热机械疲劳性能好于FGH95的热机械疲劳性能。

FGH95合金;FGH96合金;热机械疲劳;滞后回线

航空发动机涡轮盘在高温、高转速的工作条件下，盘的不同部位存在温度梯度，从而导致涡轮盘在承受机械载荷的同时，还承受由于温度梯度引起的热循环应力。热机械疲劳试验和等温低循环疲劳试验的研究发现:某些材料的热机械疲劳寿命要比上限温度的等温低循环疲劳寿命短［1］，FGH95合金就存在此类现象［2］。基于以上原因，对于航空发动机涡轮叶片和涡轮盘等关键部件只进行等温低周疲劳试验来进行的抗疲劳设计，存在不安全因素，不能够满足安全设计的要求。因此，有必要对既承受机械载荷又承受热载荷的材料进行模拟实际工况的热机械疲劳试验。

目前，国内外航空发动机的涡轮盘材料多为粉末高温合金［3］，同时对粉末高温合金的力学性能开展了广泛深入的研究［4～8］，为粉末涡轮盘在航空发动机上的成功应用提供了可靠的力学性能数据。目前国内粉末涡轮盘主要有 FGH95，FGH96和FGH97，因三种合金的力学性能差异以及对其力学性能对比研究开展不足，影响了航空发动机涡轮盘的选材。本工作主要研究了粉末合金FGH95和FGH96的热机械疲劳性能及热机械疲劳行为，对FGH95和FGH96合金的热机械疲劳性能进行了对比评价。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料与试样

试验材料为粉末合金 FGH95和 FGH96。将FGH95和FGH96合金加工为φ8mm和φ6mm的热机械疲劳试样。

1.2 试验装置与方法

试验在MTS810热机械疲劳试验机上进行的。采用机械应变控制方式分别进行了应变比Rε=－1.0，350℃⇔600℃同相位热机械疲劳试验和反相位热机械疲劳试验。

试验过程中采集的波形分别如图1和图2所示。从图1和图2可以看出，试验过程中的温度循环控制的非常理想。

图1 同相位的温度-应变Fig.1 Temperature vs strain of In-phase

图2 反相位的温度-应变Fig.2 Temperature vs strain of Out-of-phase

2 试验结果与分析

2.1 典型的滞后回线

图3～图6中FGH95和FGH96合金的热机械疲劳应力-应变滞后回线的特征表明，此合金表现出高强度低塑性的特点。当应变水平较高时(εmax≥0.5%），材料的同相位热机械疲劳表现出明显的应力-应变滞后回线，而当应变水平较低时(εmax＜0.5%），材料的同相位热机械疲劳没有明显的应力-应变滞后回线。从图中可以发现:滞后环拉压对称，而定向合金DZ125热机械疲劳滞后环拉压不对称［9］，这说明热机械疲劳滞后环的形状与材料的基本力学性能和循环条件有关。

图3 FGH95同相位应力-应变滞后回线Fig.3 Stress-strain loop of In-phase in FGH95 alloy

2.2 FGH96与FGH95合金热机械疲劳应力-应变滞后回线的比较

通过对比FGH96与FGH95合金的热机械疲劳应力-应变滞后回线的特征发现，在相同总应变范围下，FGH96合金的热机械疲劳循环塑性比FGH95合金的热机械疲劳循环塑性大，如图7和图8所示。

图8 反相位应力-应变滞后回线Fig.8 Stress-strain loop of Out-of-phase

2.3 循环应力响应

通过对比FGH95和FGH96合金的热机械疲劳循环应力响应行为研究可知，合金的循环应力响应行为与热机械载荷水平相关。当应变水平较大时，合金表现出明显的循环硬化，随着应变水平的降低，合金循环应力响应行为演化为循环软化，如图9～图12所示。

2.4 热机械疲劳寿命

图13和图14为两种合金在对称循环试验条件下的热机械疲劳寿命曲线。从图可以看出，无论是同相位，还是反相位，FGH96合金的热机械疲劳寿命均比 FGH95合金热机械疲劳寿命长，这说明FGH96合金的热机械疲劳性能明显好于FGH95合金的热机械疲劳性能。

3 分析与讨论

通过对FGH96合金和FGH95合金的热机械疲劳循环应力响应行为的研究发现，在相同变形条件下，FGH95合金的热机械疲劳循环应力比FGH96合金的热机械疲劳循环应力大，如图15和图16所示。从而导致了FGH95合金的热机械疲劳寿命比FGH96合金的热机械疲劳寿命短。

4 结论

(1）FGH95和FGH96合金的热机械疲劳应力-应变滞后回线拉压对称，合金表现出高强度低塑性的特点。

(2）在相同总应变范围下，FGH96合金的热机械疲劳循环塑性比FGH95合金的热机械疲劳循环塑性大。

(3）FGH95和FGH96合金的热机械疲劳循环应力响应行为与热机械载荷水平相关。当应变水平较大时，合金表现出明显的循环硬化，随着应变水平的降低合金循环应力响应行为演化为循环软化。

(4）在相同的变形条件下，FGH96合金的热机械疲劳循环应力比FGH95合金的热机械疲劳循环应力小，从而导致了FGH96的热机械疲劳性能好于FGH95的热机械疲劳性能。

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Thermal-Mechanical Fatigue Performance of Powder Metallurgy Superalloy FGH95 and FGH96

ZHANG Guo-dong， HE Yu-huai， SU Bin
(Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）

In-phase(IP）and Out-of-phase(OP）thermal-mechanical fatigue(TMF）behavior of powder metallurgy(PM）superalloy FGH95 and FGH96 were studied with maximum and minimum temperature of 350℃and 600℃.Stress-strain loop，cyclic stress response and fatigue life of TMF in two kinds of superalloy were analyzed.Stress-strain loop of TMF showed the characteristic of tensioncompression symmetry and of low plasticity with high strength.Cyclic stress response depended on magnitude of stain.At the same strain amplitude，it is found that the TMF cyclic stress of FGH96 is lower than the TMF cyclic stress of FGH95 alloy，and the cyclic plasticity of FGH96 alloy is more better than the cyclic plasticity of FGH95 alloy.Consequently TMF performance of FGH96 alloy is better than TMF performance of FGH95 alloy.

thermal-mechanical fatigue;In-phase;Out-of-phase;stress-strain loop;cyclic stress;fatigue life

10.3969/j.issn.1005-5053.2011.6.017

V223;V215.5

A

1005-5053(2011）06-0096-05

2009-08-21;

2011-01-17

张国栋(1977—），男，硕士，主要从事合金冷热疲劳研究，(E-mail）zgdhlx@sina.com。