● 摘要
随着航空发动机技术的发展与性能的提高，发动机涡轮叶片面临更恶劣的工作环境。涡轮叶片的工作温度越来越高，气冷叶片结构越来越复杂。为了应付高温和高负荷所带来的严重伤害，采取了许多办法，包括改进材料，发展出一系列的具有高使用温度和强度的高温合金。定向凝固和单晶涡轮叶片的出现就是为了适应这样的要求。高温环境下，往往由于疲劳-蠕变交互作用导致材料的强度等力学性能显著下降，因此，高温疲劳研究的是疲劳和蠕变共同作用下的材料力学行为，此时裂纹仍以穿晶方式萌生，却多以穿晶、沿晶混合方式扩展。高温下材料的疲劳规律及损伤机理涉及与时间无关的塑性变形外，还涉及与时间相关的蠕变及腐蚀等环境因素。这些损伤机制的同时存在及其交互作用使得寿命预测非常复杂。广为应用的Manson-Coffin公式已不能满足这种高温情况。为了在高温低循环疲劳及疲劳-蠕变条件下描述定向合金的损伤机制并且将它与裂纹萌生联系起来，本文从试验出发，研究不同温度、应变条件、保持时间对合金寿命的影响规律，包括纯疲劳试验和带保载的疲劳试验；同时分析了上述条件下的应力响应特征。通过开展断裂试件断口形貌、金相的观测与分析，研究表面裂纹、碳化物分布与特征，找出不同试验条件下裂纹萌生规律，并总结不同模式的破坏机制。研究发现高温疲劳-蠕变条件下主要有三种损伤机制，并对应着不同的裂纹萌生方式。它们分别为：疲劳损伤，裂纹主要萌生于表面或亚表面夹杂（碳化物）；蠕变损伤，裂纹主要萌生于晶界或枝晶间；氧化损伤，裂纹萌生于表面并形成氧化楔形裂纹。此外，基于上述分析结论和认识，本文简要介绍了一种综合考虑疲劳、蠕变和氧化损伤机制的LCF寿命预测方法。