材料断裂理论与失效分析

材料断裂理论与失效分析作业（8）航空发动机涡轮盘-叶片结构◆材料为镍基高温合金，为什么？◆服役环境的要素有哪些？◆有可能发生的失效类型是什么？◆如何设计实验确定失效的类型？◆改进的建议和措施一．涡轮叶片的材料涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。所以对涡轮叶片材料就有更高的要求。涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍为基础的合金。有的镍基高温合金含镍量达到70%左右，其次Cr含量也比较高。其性能主要有：1.物理性能。具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。2.耐腐蚀性。镍基合金由于含Cr，在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气氛。3.机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。4.高温特性。高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。5.热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等。高温镍基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工电弧焊。总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。所以涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。二.涡轮叶片的服役环境涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有：1.不均匀的高温条件下工作。涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720℃～1120℃，其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。2.高转速条件下工作。涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力。3.高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。4.受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na，V，S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。三．可能发生的失效类型根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。1.正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变失效，但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。2.非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式。总的来说，涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。四．设计实验确定失效的类型1.疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引起疲劳断裂的应力一般很低，端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。2.蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加，最后发生断裂。明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征，在端口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。另一个特征是高温氧化现象，在端口表面形成一层氧化膜。沿晶断裂截面上可以清楚地看到局部晶间的脱开及空洞现象，端口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。3.过载断裂。金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征，其宏观端口与拉伸试验端口极为相似。过载断裂的微观特征为塑性变形痕迹及穿晶断裂特征。4.实验确定失效类型。（1）失效产品直观检查。首先直观检查叶片，寻找首断件，并确定叶片断口的位置，观察断口的颜色，是否有其他的金属飞溅物，是否存在氧化膜。观察断口附近是否有明显的塑性变形，是否存在严重的掉快现象。（2）宏观分析。用扫描电镜观察端口的宏观形貌特征，找出裂纹源的位置，确定初裂纹的位置，并确定裂纹的扩展方向；观察断口表面的条纹花样，观察是否存在明显的疲劳源区（通常出现在构件表面）、扩展区（弧线、人字纹）、瞬断区（高塑性为纤维状，脆性为晶粒状或放射状），并确定断裂区于疲劳源区的相对位置；观察外围是否存在剪切唇。大致确定叶片的失效类型。（3）微观分析。用电子显微镜观察端口的微观形貌特征，寻找是否存在条状花样，尤其是疲劳辉纹即具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相间且互相平行的条状花样。观察是否存在塑性变形痕迹，并确定断裂为穿晶断裂还是沿晶断裂。（4）相结构分析。用X-射线衍射XRD分析断口附近的相组成，并与叶片原材料镍基合金中的相结构进行对比，根据新生相或含量发生很大变化的相分析断口附近在断裂时或断裂前发生的变化。从而更加准确的推断断裂失效类型。（5）应力分析。用X-射线应力仪分析断口及附近的应力状态，并分析断裂时的应力状态，从而更好地区分过载断裂与疲劳断裂和蠕变断裂，并可以用于区分为疲劳断裂的哪一种类型。（6）热损伤分析。用硬度仪对叶片断口及附近进行硬度测量，并结合前面测出的断口附近的相组织，对叶片的超高温状态进行评价，分析叶片是否存在超高温过热迹象。通过对以上几步的结果进行综合分析，基本可以确定涡轮叶片的断裂失效类型。五.改进的建议与措施1.涡轮叶片材料。目前航空发动机涡轮叶片使用的材料主要是以镍、钴、铁为基的合金，其熔点在1800K左右。但为了为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能，主要的措施是采用更高的燃气温度，这就使得涡轮叶片的工作环境更为苛刻。为了更好的使涡轮叶片适应更高的要求，可以加快研发采用耐热性更高的铌或钼基合金。并且可以在涡轮叶片的材料表面涂覆耐热性很高的陶瓷材料保护。2.结构优化设计。（1）对涡轮盘和涡轮叶片的形状进行优化，减少涡轮旋转的摩擦与阻力，降低涡轮工作时的应力应变脉动。（2）采用拓扑优化的空心涡轮盘，可以有效的降低涡轮质量从而达到不需要太大提高燃气温度而提高发动机性能的目的。（3）优化涡轮盘及涡轮叶片，改变其固有频率，使固有频率与涡轮工作时的振动频率相差较远，降低振动对涡轮的影响。（4）采用更有效的冷却系统，这可以有效的降低涡轮叶片的工作温度，延长涡轮叶片的寿命，并且可以提高燃气的进口温度，增加涡轮发动机的性能。3.工艺优化设计。采用合理的制作工艺和成形工艺，使涡轮盘及叶片获得组织致密均匀的细小组织，可以极大的提高涡轮的工作性能。（1）采用先进的制备工艺：先进的铸锻变形工艺——提高了坯件的质量与塑性；粉末冶金工艺——提高了热加工性能和合金屈服强度及疲劳性能等综合力学性能；喷射成形工艺——获得整体致密、成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料坯件。（2）采用先进的成形技术：等温超塑性锻造成形——加工余量小，表面完整，组织均匀；接近等温变形条件的涡轮盘锻造——提高高温塑性；直接热等静压成形——以最小的加工余量成形接近零件最终形状的半成品。