高溫合金疲勞
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-08-24
高溫合金疲勞的視頻教程
航空制造中的切削溫度與殘余應(yīng)力控制：高溫合金與鈦合金加工
隨著我國(guó)航空航天等技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，各種超耐熱、耐磨損、耐腐蝕合金等難切削材料的精密制造需求日益突出。高溫合金如 GH4169 及鈦合金作為航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，其加工過(guò)程面臨切削溫度高、刀具磨損快、表面質(zhì)量控制難等共性問(wèn)題。GH4169 鎳基高溫合金和鈦合金均屬于典型難加工材料。工程實(shí)踐表明，零部件疲勞破壞多起源于表面或近表面區(qū)域，加工表面完整性已成為評(píng)價(jià)制造質(zhì)量的核心指標(biāo)。
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預(yù)應(yīng)力切削技術(shù)：如何提升陶瓷刀具加工鎳基高溫合金的壽命？
這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)為解決陶瓷刀具加工鎳基高溫合金時(shí)的磨損率高、壽命短等問(wèn)題提供了新的技術(shù)途徑，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用前景。
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無(wú)懼高溫——Ansys nCode DesignLife進(jìn)行熱-機(jī)疲勞分析詳解
內(nèi)容簡(jiǎn)介： 介紹在Ansys Workbench平臺(tái)下，采用Ansys Mechanical & Ansys nCode DesignLife開(kāi)展結(jié)構(gòu)熱-機(jī)疲勞的基本原理、方法、流程以及注意事項(xiàng)，并附贈(zèng)相關(guān)案例DEMO。 講師簡(jiǎn)介： 張偉偉 上海交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)博士，擁有多年的有限元理論研究與仿真應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表SCI，EI收錄論文十余篇，授權(quán)專(zhuān)利7項(xiàng)。
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高溫合金疲勞的實(shí)例教程
相對(duì)于其他2類(lèi)高溫合金，鐵基高溫合金存在組織不夠穩(wěn)定、抗氧化能力差、使用溫度較低等缺點(diǎn)。
鐵基合金GH1311的金相組織
（2）鎳基高溫合金
該類(lèi)高溫合金以Ni為主要基體，并在基體中溶入了多種合金元素。如下圖所示為鎳基合金Inconel718的金相組織。從圖中可以看出，鎳基高溫合金也是以?shī)W氏體為基體的一類(lèi)合金材料，但其材料組織分布更為緊密，表現(xiàn)出更好的組織穩(wěn)定性。相對(duì)于鐵基高溫合金，鎳基高溫合金中加入了更多種類(lèi)的強(qiáng)化元素，保證了鎳基高溫合金具有更好的組織穩(wěn)定性和耐腐蝕性，工作溫度更高。相對(duì)于其他2種類(lèi)型的高溫合金，鎳基高溫合金存在疲勞性能差、塑性較低的缺點(diǎn)。
鎳基合金Inconel 718的金相組織
（3）鈷基高溫合金
該類(lèi)高溫合金以鈷(Co)為基體，合金中Co元素比例占60%以上，同時(shí)在基體中還溶入了不同比例的Ni、Cr等合金元素，增強(qiáng)了耐熱性能，是目前綜合性能最為優(yōu)異的一類(lèi)高溫合金；但是，由于全球金屬鈷的產(chǎn)量相對(duì)缺乏，因此該類(lèi)型高溫合金應(yīng)用并不廣泛。
目前，從高溫合金的應(yīng)用情況來(lái)看，鎳基高溫合金是使用最多的一類(lèi)高溫合金，大部分航天發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片都采用鎳基合金制造。
3
按合金強(qiáng)化類(lèi)型分
根據(jù)合金強(qiáng)化工藝，高溫合金主要分為固溶強(qiáng)化高溫合金和時(shí)效強(qiáng)化高溫合金2類(lèi)。
展開(kāi) 點(diǎn)蝕坑不僅造成高溫合金表面力學(xué)性能退化，而且進(jìn)一步影響部件的整體力學(xué)性能，具有相比普通氧化行為更為嚴(yán)重的影響。
(2）熱腐蝕可使渦輪盤(pán)、渦輪葉片高溫合金疲勞壽命顯著降低（60%～98%），疲勞壽命降低程度與載荷條件有關(guān)，載荷水平越低，熱腐蝕對(duì)疲勞壽命的影響更為明顯。熱腐蝕加速渦輪盤(pán)、渦輪葉片高溫合金疲勞裂紋萌生過(guò)程，使疲勞裂紋萌生位置由亞表面缺陷向表面熱腐蝕坑過(guò)渡，疲勞壽命的降低與腐蝕坑的大小和間距以及晶界性能的退化密切相關(guān)。噴丸強(qiáng)化對(duì)抑制熱腐蝕-疲勞破壞的效果不明顯，但涂層能較好地提高高溫合金熱腐蝕-疲勞性能。
(3）渦輪盤(pán)、渦輪葉片高溫合金熱腐蝕-疲勞壽命預(yù)測(cè)模型需要考慮溫度、載荷水平、介質(zhì)濃度等許多方面的因素，常用的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型主要包括唯象模型、損傷力學(xué)模型和斷裂力學(xué)模型，模型預(yù)測(cè)精度在3倍分散帶之內(nèi)。然而，所采用的熱腐蝕-疲勞壽命預(yù)測(cè)和分析方法均未考慮高溫合金的微結(jié)構(gòu)特征和熱腐蝕-疲勞失效機(jī)理。
(4）為更準(zhǔn)確表征渦輪盤(pán)、渦輪葉片高溫合金熱腐蝕-疲勞性能，亟需發(fā)展燃?xì)?海洋環(huán)境耦合作用下的疲勞測(cè)試裝備，開(kāi)展機(jī)械載荷和海洋環(huán)境耦合的低周疲勞、高周振動(dòng)疲勞以及疲勞裂紋擴(kuò)展行為和機(jī)理研究，為渦輪盤(pán)、渦輪葉片疲勞壽命/強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及損傷容限設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。在熱腐蝕-疲勞壽命預(yù)測(cè)方面，需發(fā)展基于高溫合金微結(jié)構(gòu)和熱腐蝕-疲勞失效機(jī)理的預(yù)測(cè)方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理混合模型的預(yù)測(cè)方法以及考慮裂尖力、化耦合作用的熱腐蝕-疲勞裂紋擴(kuò)展模型，提高熱腐蝕-疲勞壽命預(yù)測(cè)精度，建立燃?xì)?海洋環(huán)境耦合作用下的熱端部件結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法。
文章來(lái)源：兩機(jī)動(dòng)力先行
展開(kāi) 本文作為補(bǔ)充內(nèi)容，介紹航空用高溫合金的加工工藝，包括鑄造工藝、鍛造工藝，以及鑄件、鍛件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的應(yīng)用。
注：高溫合金原材料的加工還有熔煉工藝，可以參考轉(zhuǎn)發(fā)的文章
鎳基合金VIM+ESR+VAR三大熔煉工藝簡(jiǎn)析 (qq.com)
鑄造工藝
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件使用最多的是熔模鑄造工藝，特點(diǎn)是可以獲得最終尺寸的零件，并且成本相對(duì)較低。但是鑄件常見(jiàn)問(wèn)題如氣孔、偏析等，機(jī)械性能無(wú)法跟鍛件相比。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用鑄件的零部件有渦輪葉片、風(fēng)扇框架等，主要的制造工藝是：真空感應(yīng)熔煉、鑄造、機(jī)加、精整。
從顯微組織結(jié)構(gòu)上看，鑄件可分為3大類(lèi)：
等軸晶鑄件，主要用于制造低壓渦輪零部件。工藝的特點(diǎn)是液態(tài)金屬的凝固速率只受限于膜殼的散熱能力。為了控制熱量損失的速率，膜殼通常都是絕熱的。所獲得的鑄件產(chǎn)品是多晶體結(jié)構(gòu)，晶粒生長(zhǎng)方向也是隨機(jī)的。
定向凝固，主要也是用于制造低壓渦輪零部件。基本原理是使用冷卻機(jī)構(gòu)從一端吸收熱量，使得鑄件只沿著一個(gè)方向凝固。
單晶凝固是鑄造工藝的特殊應(yīng)用，只用于承受最高溫度的應(yīng)用，比如高壓渦輪葉片，燃燒室零部件等。其原理跟定向凝固相同，控制凝固溫度梯度；區(qū)別是單晶需要使用籽晶，使得液態(tài)金屬凝固時(shí)，能夠沿著擇優(yōu)晶向生長(zhǎng)，最終獲得只有一個(gè)晶粒的產(chǎn)品。當(dāng)今世界上先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片都是100%單晶。什么時(shí)候開(kāi)始的呢？30年前！
單晶爐示意圖：
高溫合金由于其合金化元素超過(guò)10種以上，最常見(jiàn)的問(wèn)題第一個(gè)就是偏析，所以，高溫合金必須通過(guò)均勻化熱處理消除偏析。當(dāng)合金錠偏析嚴(yán)重?zé)o法消除時(shí)，可以使用粉末冶金技術(shù)，但缺點(diǎn)是成本較高。如下圖，單晶葉片配粉末盤(pán)。
鍛造工藝
航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，使用鍛件的零部件有盤(pán)、鼓筒軸、風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片等，主要的制造工藝是：熔煉、轉(zhuǎn)坯、鍛造、機(jī)加、精整。
展開(kāi) 圖1 國(guó)內(nèi)外粉末高溫合金的發(fā)展
Fig.1 Development of powder metallurgy (PM) superalloys
FGH4103 和FGH4104 合金是我國(guó)在FGH4097合金基礎(chǔ)上研制的新型俄系粉末高溫合金，合金采用等離子旋轉(zhuǎn)電極制粉+熱等靜壓成形+熱處理的工藝路線(xiàn)制備。3 種合金的化學(xué)成分如表2 所示。圖2 示出了3 種合金的顯微組織，其中FGH4103 合金晶粒度為5~6級(jí)，F(xiàn)GH4104合金晶粒度為6~7級(jí)，F(xiàn)GH4097合金晶粒度為6~7級(jí)。
FGH4103、FGH4104和FGH4097合金的室溫及高溫拉伸性能見(jiàn)表3。可見(jiàn)，在相同的溫度下，F(xiàn)GH4103 與FGH4104 合金的屈服強(qiáng)度均明顯高于FGH4097 合金，合金呈現(xiàn)典型的高強(qiáng)度特性；FGH4103合金在750和800 ℃具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性；FGH4104 合金在室溫和700 ℃具有優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性。
FGH4103 和FGH4104 合金的持久強(qiáng)度(復(fù)合試樣，缺口半徑r=0.15 mm)以及低周疲勞性能見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，在650 ℃下，F(xiàn)GH4103和FGH4104合金的持久強(qiáng)度和低周疲勞強(qiáng)度相當(dāng)，明顯高于FGH4097 合金；在750 ℃下，F(xiàn)GH4103 合金的持久強(qiáng)度明顯高于FGH4104和FGH4097合金。
展開(kāi) 鎳基單晶高溫合金是航空航天等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，用于高溫零部件的制造。目前，這些零部件的制備工藝主要以定向凝固精密鑄造為主。對(duì)金屬3D打印技術(shù)而言，能否實(shí)現(xiàn)單晶組織的連續(xù)生長(zhǎng)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。以往的研究主要集中在利用3D打印技術(shù)分層疊加原理，對(duì)單晶基體（如燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片）進(jìn)行修復(fù)，目前可以實(shí)現(xiàn)成形若干層單晶組織。
據(jù)研究人員報(bào)到，該研究成功的秘訣是采用了精確的工藝參數(shù)控制合金的熔化及凝固過(guò)程。研究者認(rèn)為，所采用的工藝為何能夠制備出單晶仍需要深入分析，初步認(rèn)為是所采用的掃描策略對(duì)晶粒的生長(zhǎng)具有選擇效果，因而能夠?qū)崿F(xiàn)單晶的制備。由圖1可以看出，制備的塊狀試樣上部縱截面上，枝晶細(xì)密且連續(xù)生長(zhǎng)，沒(méi)有明顯的裂紋等缺陷。
該研究突破了較大體積鎳基高溫合金單晶組織的3D打印，使3D打印技術(shù)用于單晶高溫合金零部件的制造成為可能，對(duì)于3D打印技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域熱端零部件的制造具有重要意義。
來(lái)源：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
展開(kāi) 
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高溫合金疲勞的最新內(nèi)容
Weihao Wang, et al. Mesoscopic evolution of molten pool during selective laser melting of superalloy Inconel 738 at elevating preheating temperature
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110355
12 高溫應(yīng)變疲勞分析：
在這個(gè)例子中，您將在DesignLife中使用SN分析引擎和混合負(fù)載（Hybrid Load Provider）進(jìn)行高溫疲勞分析。
12.1 演示文件：
該例子用到文件在nCode安裝目錄下：
\demo\ansys_designlife\12_HighTemperatureSN\ high_temperature.flo high_temperature_all_constant.hyb
隨著科技的發(fā)展，航空航天、汽車(chē)等行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)要求不斷提升，燃?xì)廨啓C(jī)
此外，目前所開(kāi)展的渦輪葉片高溫合金熱腐蝕-疲勞性能主要是其低周疲勞性能研究，對(duì)熱腐蝕-高周疲勞性能研究較少。熱腐蝕對(duì)渦輪葉片高溫合金高周疲勞失效的影響也很顯著[47]。對(duì)于渦輪葉片而言，由于其服役溫度高，熱腐蝕損傷嚴(yán)重，且其受到氣動(dòng)載荷的作用而往往發(fā)生高周振動(dòng)疲勞失效。
導(dǎo)語(yǔ)
本文首先設(shè)計(jì)FGH97合金高溫氧化試驗(yàn)，以某GH97合金渦輪盤(pán)為例，模擬FGH97合金試件的高溫氧化過(guò)程；然后，觀察試件表面氧化皮顏色特征，明確氧化皮成分，推導(dǎo)出FGH97合金渦輪盤(pán)破裂失效時(shí)的工作溫度；最后，對(duì)不同溫度下FGH97合金的氧化過(guò)程進(jìn)行分析和討論，得到FGH97合金的高溫氧化機(jī)理。
1 高溫氧化試驗(yàn)
試件材料與合金渦輪盤(pán)源于同一批母材，主要化學(xué)成分如表1所示
前言
原文限于篇幅，沒(méi)有包含加工工藝。本文作為補(bǔ)充內(nèi)容，介紹航空用高溫合金的加工工藝，包括鑄造工藝、鍛造工藝，以及鑄件、鍛件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的應(yīng)用。
注：高溫合金原材料的加工還有熔煉工藝，可以參考轉(zhuǎn)發(fā)的文章
鎳基合金VIM+ESR+VAR三大熔煉工藝簡(jiǎn)析 (qq.com)
鑄造工藝
航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件使用最多的是熔模鑄造工藝，特點(diǎn)是可以獲得最終尺寸的零件，并且成本相對(duì)較低
Wang 等[15] 利用ABAQUS 和Franc3D 研究了GH4169 高溫合金在滑動(dòng)疲勞磨損條件下的裂紋擴(kuò)展特性。李巖等[16] 基于Franc3D 探討了渦輪盤(pán)裂紋關(guān)鍵位置選擇、初始裂紋尺寸及形狀的確定和選擇問(wèn)題。路衛(wèi)兵等[17] 使用Fracnc3D 針對(duì)大模數(shù)表面淬火齒條的裂紋擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了研究。
2023年6月4日，南極熊獲悉，來(lái)自麻省理工學(xué)院的工程師團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種簡(jiǎn)單、廉價(jià)的方法來(lái)制備陶瓷納米纖維強(qiáng)化 Inconel 718材料，以用于金屬 PBF 增材制造工藝。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的這種采用陶瓷納米線(xiàn)強(qiáng)化3D打印金屬粉末的方法同樣可用于改進(jìn)許多其他材料。航空航天和能源生產(chǎn)領(lǐng)域許多重要應(yīng)用的關(guān)鍵材料必須能夠承受高溫和拉伸應(yīng)力等極端條件而不會(huì)失效，所以，MIT開(kāi)發(fā)的這種新型強(qiáng)化高溫合金在航空航天等高要求領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景
請(qǐng)問(wèn)一下，誰(shuí)有鎳基高溫合金waspaloy(也叫GH4738)的J-C損傷參數(shù)d1-d5?150rmb
