在600，800，900，1000℃對火焰筒材料GH3536高溫合金進行了應(yīng)變控制的蠕變疲勞試驗，研究了該合金的高溫蠕變疲勞行為；利用考慮溫度和保載影響的Coffin-Manson蠕變疲勞壽命預(yù)測模型對其蠕變疲勞壽命進行預(yù)測，并與試驗結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：GH3536合金在600~900 ℃表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)硬化現(xiàn)象，隨著溫度的升高，硬化程度減弱；1000 ℃下在初始循環(huán)階段出現(xiàn)輕微軟化現(xiàn)象，隨后峰值應(yīng)力保持穩(wěn)定直至合金失效。在800~1000 ℃下的蠕變疲勞半壽命保載階段，GH3536合金表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。隨著溫度的升高，合金的蠕變疲勞壽命縮短；在600℃下最大應(yīng)變保載過程對疲勞壽命基本沒有影響，而在800~1000℃下會顯著縮短蠕變疲勞壽命?？紤]溫度和保載效應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測模型預(yù)測得到的不同溫度下的蠕變疲勞壽命大部分位于2倍分散帶內(nèi)，該模型可以較準確地預(yù)測GH3536合金的蠕變疲勞壽命。
01研究背景
火焰筒作為航空發(fā)動機燃燒過程的關(guān)鍵部件，長期暴露在極端高溫的環(huán)境下，容易發(fā)生由熱應(yīng)變引起的疲勞失效。在實際運行環(huán)境中，高強度且分布不均勻的循環(huán)熱載荷不僅會導致表面疲勞損傷，還會導致內(nèi)部蠕變損傷，造成熱端部件壽命的進一步縮短。研究火焰筒用材料在高溫下的蠕變疲勞行為，建立疲勞壽命預(yù)測方法，對于火焰筒的壽命設(shè)計和安全服役意義重大。
GH3536 鎳 基 高 溫 合 金（類 似 于 美 國 系 列Hastelloy X合金）作為火焰筒常用的一種材料，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性以及高的高溫強度等特點。趙明等研究發(fā)現(xiàn)，在600~800℃蠕變疲勞交互作用下，隨保載時間的延長，GH3536合金的斷裂塑性呈增強趨勢，而斷裂壽命則相應(yīng)縮短。LU等研究發(fā)現(xiàn)，在816℃和927℃蠕變疲勞交互作用下，Hastelloy X合金在無保載時主要發(fā)生穿晶斷裂，而當保載時間達到2min時，斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃чg斷裂為主。LEE等研究發(fā)現(xiàn)：Hastelloy X合金的晶粒尺寸越大，其抗蠕變疲勞損傷能力越強；隨溫度的升高或保載時間的延長，斷裂模式由穿晶向沿晶轉(zhuǎn)變，蠕變疲勞壽命縮短。LIU等采用非線性蠕變-損傷模型模擬發(fā)現(xiàn)，在高溫蠕變疲勞作用下當保載時間由1min延長到60min時，HastelloyX合金的蠕變損傷率由70%升至99%，而蠕變疲勞的交互作用由25%降至1%。
目前，關(guān)于GH3536合金的高溫蠕變疲勞研究多集中在失效機理分析上，其蠕變疲勞壽命的預(yù)測方法存在局限性，大多僅適用于單一溫度條件，且計算過程涉及參數(shù)多，運算復雜。作者在600~1000℃下對GH3536合金進行蠕變疲勞試驗，研究了該合金的高溫蠕變疲勞行為，基于經(jīng)典Coffin-Manson公式對其蠕變疲勞壽命進行預(yù)測，擬為火焰筒部件的壽命評估提供模型參考。
02研究亮點
1 試樣制備與試驗方法
本章節(jié)重點介紹了GH3536鎳基高溫合金的蠕變疲勞試驗方法。主要內(nèi)容包括：
1.試驗材料成分為21.59%Cr、17.74%Fe等；
2. 按國家標準制備試樣并進行表面處理；
3. 使用MTS疲勞試驗機在600-1000℃溫度范圍內(nèi)進行試驗，溫度控制精度±5℃；
4. 采用應(yīng)變控制，速率0.4%/s，應(yīng)變比-1和0.05，應(yīng)變范圍0.4%-1.2%；
5. 蠕變疲勞試驗包含2分鐘保載階段；
6. 以峰值載荷下降50%或試樣斷裂作為失效判據(jù)。
GH3536合金在不同溫度下的蠕變疲勞峰值應(yīng)力響應(yīng)曲線
2 試驗結(jié)果與討論
本章節(jié)重點包括：
1. GH3536合金在600~900℃區(qū)間表現(xiàn)出循環(huán)硬化特征，峰值應(yīng)力先升后降，溫度升高會減少達到最大應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)并減弱硬化程度；1000℃時則出現(xiàn)初始循環(huán)軟化。
2. 應(yīng)變范圍增大會顯著增強合金的硬化程度，而應(yīng)變比對峰值應(yīng)力的影響在前10周次內(nèi)較?。ú町?lt;10MPa），后續(xù)趨于0。
3. 800~1000℃保載階段出現(xiàn)顯著應(yīng)力松弛，初期（約20秒內(nèi)）快速下降，后趨緩；應(yīng)變范圍對應(yīng)力松弛速率影響有限。
4. 采用Feltham方程（σ=σ0[1-B″ln(bt+1)]）成功擬合了應(yīng)力松弛曲線，揭示了材料參數(shù)與松弛行為的關(guān)系。
3 蠕變疲勞壽命預(yù)測
本章節(jié)重點介紹了GH3536高溫合金的蠕變疲勞壽命預(yù)測方法。主要內(nèi)容包括：
1. 采用經(jīng)典Coffin-Manson公式進行低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測；
2. XU等提出的考慮溫度效應(yīng)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ图捌渫卣剐问剑?/span>
3. 保載效應(yīng)在不同溫度條件下的影響規(guī)律（600℃以下無影響，800℃以上顯著影響）；
4. 蠕變疲勞壽命預(yù)測方法（分溫度區(qū)間采用不同策略）及驗證結(jié)果（大部分預(yù)測值在2倍分散帶內(nèi)）；
5. 該預(yù)測方法具有參數(shù)少、計算簡單、結(jié)果保守可靠等特點。
GH3536 合金在不同溫度下的純疲勞壽命和蠕變疲勞壽命與應(yīng)變范圍的關(guān)系
03研究結(jié)論
（1）GH3536合金在600~900℃表現(xiàn)出不同程度的循環(huán)硬化現(xiàn)象，隨著溫度的升高，峰值應(yīng)力達到最大值的循環(huán)次數(shù)減少，循環(huán)硬化程度減弱；在相同溫度下，應(yīng)變范圍越大，合金的硬化程度越顯著。在1000℃下合金在初始循環(huán)階段出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，隨后峰值應(yīng)力保持穩(wěn)定直至失效。
（2）在800~1000℃下蠕變疲勞的半壽命保載階段，GH3536合金表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，在應(yīng)力松弛初期，應(yīng)力快速下降，隨后下降趨勢顯著減緩，直至趨于穩(wěn)定；不同應(yīng)變范圍下的應(yīng)力松弛行為相同。隨應(yīng)變范圍的增大或溫度的升高，合金的蠕變疲勞壽命降低；在600℃下最大應(yīng)變保載過程對疲勞壽命基本沒有影響，當溫度為800~1000℃時，最大應(yīng)變保載會顯著降低蠕變疲勞壽命，降低幅度約50%。
（3）采 用 綜 合 考 慮 溫 度 和 保 載 效 應(yīng) 影 響 的Coffin-Manson模型預(yù)測的不同溫度下GH3536合金的蠕變疲勞壽命大部分位于2倍分散帶內(nèi)，少部分位于２~3倍分散帶內(nèi)，表明該模型預(yù)測結(jié)果較為準確，該方法具有參數(shù)數(shù)量少、計算簡單的優(yōu)點。
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