GH4169高温合金材料的力学性能实验研究

许磊，雷旭升

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

由于GH4169高温合金材料具有良好的抗疲劳、耐腐蚀性能以及良好的加工性能、焊接性能和组织稳定性[1-2]，其在航空工业中的应用比较广泛，在航空发动机中大量地被用于制造各种静止件和转动件，如盘件、机匣、轴、叶片等[3]。

当发动机工作时，高速旋转的叶片会吸入硬物杂质。这些杂质会对叶片等旋转结构造成小损伤，表现在宏观上即为机械缺陷，如缺口和凹坑等，这样会导致局部应力集中，实际工作中会引起航空发动机部件的疲劳破坏，表现为叶片等结构的高周疲劳失效[4-5]。能准确地找到这些疲劳损伤，并预测发动机寿命，具有重要的实际应用价值。由于GH4169的成分复杂，因此采用实验法研究GH4169高温合金及其缺口疲劳性能具有重要的工程意义[6-7]。

1 GH4169高温合金静拉伸试样制备

该试验材料由上海某公司提供。材料质量分数如表1所示。参考国标GB228 金属材料室温拉伸试验方法制备了GH4169高温合金静拉伸试验件如图1所示。试验件尺寸如图2所示。静拉伸试验件厚度为2.8mm。

表1 GH4169高温合金质量分数

图1 GH4169静拉伸试样

图2 试验件尺寸图

2 静拉伸结果

本实验使用的液压伺服材料试验机型号为MTS793，整套试验设备如图3所示。主要包括载荷框架、控制器及ups电源、水冷控制系统界面以及液压油源等。

图3 拉伸试验机

为了得到GH4169高温合金应力-应变曲线，进而得到材料的屈服强度和抗拉强度，共对GH4169高温合金进行了两次重复性静拉伸试验。拉伸结果如图4所示。从图中可以看出两根试验件的应力-应变曲线重复性较好，这说明材料静拉伸性能稳定，试验数据真实有效。

图4 GH4169静拉伸应力-应变曲线

拉伸后的断裂结果如图5所示。断裂位置在试验件中部，有颈缩现象，试验有效。

图5 静拉伸断裂结果

由实验所得到的GH4169静拉伸材料特性如表2所示。这个数据结果可以为GH4169疲劳寿命试验奠定基础。

表2 静拉伸结果

3 疲劳试验及结果

在静拉伸试验基础上进行GH4169高温合金光滑件和缺口件的疲劳寿命试验。对光滑试验件加载级分别为抗拉强度的55%、60%、64%、70%和75%，共5个等级，对应应力分别为701.25MPa、765MPa、817.7MPa、892.5MPa和956.25MPa。以名义应力对缺口件进行加载。加载的总名义应力为547.21MPa。加载级别为总名义应力的60%、70%和81%。对应的加载应力分别为328.3MPa、383.0MPa和443.2MPa，应力比为0.1，波形为正弦波，加载频率为10Hz。试验时按设定的循环载荷加载，直至试件断裂，记录每个试验件的疲劳寿命。

图6为GH4169高温合金光滑件及其断裂位置。图7为GH4169缺口件及其断裂位置。可以看出，断裂位置在光滑试验件平行段和缺口试验件缺口处。证明数据有效。

图6 GH4169光滑件断裂结果

图7 GH4169缺口件断裂结果

表3和表4分别列出了GH4169光滑件和GH4169缺口件疲劳断裂数据。随着应力增加，试验件疲劳寿命减小。同一载荷级下，疲劳寿命具有分散性。

表3 GH4169光滑件数据

表4 GH4169缺口件数据

所选取的载荷范围内，疲劳试验件的疲劳寿命都集中在104～106之间，处于中长寿命范围内。通过拟合，分别得到光滑件和缺口件的应力-寿命曲线如图8和图9所示。从图中可以看出，在寿命相同情况下，光滑件的应力大于缺口件应力。

图8 GH4169光滑件应力-寿命曲线

图9 GH4169缺口件应力-寿命曲线

根据拟合结果，得到GH4169高温合金光滑件应力-寿命方程为

lgσ=4.157-0.247lgNf

(1)

根据拟合结果，得到GH4169高温合金缺口件应力-寿命方程为

lgσ=3.566-0.190lgNf

(2)

根据缺口疲劳系数定义，Kf定义式为

Kf=Sf/Sf′

式中：Sf为光滑件疲劳极限；Sf′为缺口件疲劳极限。

缺口疲劳系数是>1的。缺口疲劳系数越大，疲劳寿命越短。对于本次研究，试验寿命选取范围为104～106，所以选取寿命为106对应的应力为本次研究的疲劳极限。代入式(1)求得光滑件的极限强度为473MPa。代入式(2)得到缺口件极限强度为267MPa。所以缺口系数为1.772。

4 结语

通过本次实验研究，可以总结如下几点：

1)本文设计GH4169高温合金静拉伸试验件，当试验件受到拉伸载荷作用时，试验件中心发生局部颈缩屈服，随着载荷继续增大，屈服区域逐渐扩大，最后从颈缩部位开始出现裂纹直至断裂，但是总体颈缩现象不太明显。通过试验数据获得接头的抗拉强度约为1 275MPa。

2)本文在GH4169高温合金静强度试验的基础上，开展了GH4169高温合金光滑件和缺口件的疲劳性能研究，建立了应力比R=0.1下的应力-寿命曲线。

3)通过对光滑件应力寿命方程和缺口应力寿命方程比较、计算，得出了高温合金缺口疲劳系数Kf=1.772。