热循环对涡轮导向器用K4648合金组织及性能的影响

admin · 发表于 2022-9-16 09:18:14

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涡轮导向器是航空发动机重要的非转动部件之一，它的主要作用是将从燃烧室出来的高温燃气导向后续部件，将部分热能转换为动能，并满足后续工作部件所需的气体方向。涡轮导向器服役条件恶劣，在发动机起步停车及加速减速过程中承受急剧的温度变化，这种反复进行的冷热循环过程对导向器所用材料的组织及性能会产生很大的影响，并有可能造成部件破坏。本文针对航空发动机涡轮导向器所使用的高Cr铸造Ni基高温合金K4648进行研究，通过观察在实际发动机中经过667、1121和2245三种周次服役的合金材料的组织，分析K4648合金微观组织随服役周次的变化，在此基础上测试了材料的室温及高温拉伸性能，并探讨了性能变化与组织变化的关系。另外，本文对导向器材料在实际服役中经常出现的热疲劳行为进行了实验室模拟，探索了热疲劳裂纹的萌生扩展规律。对出现损伤的导向器进行焊接修补是一种常见的修复手段，因此，本文最后对涡轮导向器中实际存在的K4648合金同种焊接接头及K4648合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢异种材料焊接接头组织进行了观察分析，总结焊接次数对接头组织的影响规律。研究发现，经过标准热处理的K4648合金主要析出相为粒状及短针状α-Cr和块状碳化物。在服役热循环过程中，涡轮导向器空心叶片组织α-Cr析出相发生变化，碳化物存在分解现象，而实心叶片中所观察的区域析出针状η相，并且晶界处碳化物连接成膜。随着服役周次的增加，合金的室温及高温抗拉强度均呈下降趋势，这与脆性相的析出及晶界碳化物的分布密切相关。构建了使用涡轮导向器两片相邻实心叶片、三片相邻实心叶片以及完整涡轮导向器作为热疲劳试样的a~N和da/dN~N关系曲线，得到了a~N拟合关系式。获得不同服役周次及不同焊接次数下K4648合金同种材料及K4648合金与1Cr18Ni9Ti不锈钢异种材料手工氩弧焊焊接接头的组织特征，为涡轮导向器的合理焊接修复提供依据。

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