張麗 北京航空材料研究院

 

    研究背景

 

    渦輪盤是航空發動機的關鍵部件。由于其在發動機中的位置及其力學旋轉特性，渦輪盤承受著高應力和環境熱應力作用，工作條件極為苛刻。渦輪盤結構上存在高應力集中的情況，比如安裝孔、輪緣與葉片連接榫槽等部位，這些部位易萌生裂紋并導致破壞。渦輪盤一旦破裂，其后果往往是災難性的。因為渦輪盤碎片可能打穿發動機機匣，切斷油路或操作系統，穿透油箱與座艙，對乘員和飛機造成嚴重威脅。據統計，渦輪盤的破裂大多數是屬于這種非包容性的破壞。用于航空發動機渦輪盤服役壽命的設計方法必須確保這種事故發生的可能性極小。

 

    渦輪盤材料由于可能存在內部缺陷（如孔洞和夾雜），也可能由于加工和裝配造成表面損傷，所以渦輪盤結構實際上是一個含裂紋體。在使用過程中，由于疲勞載荷、熱載荷、腐蝕環境等原因，導致裂紋擴展，如果漏檢，就會造成服役中渦輪盤破壞。裂紋從初始缺陷的尺寸擴展到造成破壞的臨界尺寸是一個發展過程，只要能夠控制擴展過程，也能夠保證結構的安全。理論和試驗表明，許多含裂紋構件仍能在服役載荷下繼續工作到下一次檢修。

 

    GH4169合金（Inconel 718）是一種鐵-鎳-鉻基的變形高溫合金，它具有良好的高溫強度、抗氧化性能，良好的持久性能、塑性、抗疲勞性能和抗裂紋擴展能力，是當前航空發動機使用最多的一種金屬材料，主要用于渦輪盤等關鍵部件。國外對高溫合金小裂紋行為的研究較為深入全面。國內在此方面的研究報道主要集中在真空環境下小尺寸試樣（通常原位疲勞試樣的工作段長度不超過25 mm，寬度不超過3 mm） 的裂紋擴展行為。環境對小裂紋擴展行為的影響非常大，尤其是在高溫或腐蝕條件下。高溫合金在非真空環境下的小裂紋行為，材料缺陷對疲勞小裂紋起始和擴展行為影響等研究急需展開。從國內外對該合金小裂紋行為的研究現狀可知，從夾雜起始的疲勞小裂紋在循環載荷作用下最終導致疲勞破壞的情況是存在的。因此關注GH4169合金構件處的疲勞小裂紋行為，對航空發動機結構的損傷容限設計具有重要意義。