● 摘要
粉末高温合金是新一代涡轮盘材料，满足了发动机性能日益增长的需要。同国外众多牌号的粉末材料相比，国内粉末材料较少。目前作为某小型发动机涡轮盘材料的FGH95是国内粉末材料的主要牌号，其性能及应用研究还远远不够，在此基础上的第二代粉末材料的研制、双性能盘以及热等静压整体叶盘等多项研究工作都有待于尽快开展。本文正是基于这样的研究现状和要求，针对新工艺条件下的FGH95粉末高温合金的力学性能，进行了以下三方面的研究。首先，进行了FGH95变形特征的试验研究，目的是建立Chaboche本构模型对其变形特征进行数值模拟。试验研究表明，应变率较高时（大于10-4/秒），其应变率效应并不明显，同时材料具有循环硬化、循环平均应力松弛等循环变形特征。根据这些试验结果建立的Chaboche本构模型能够较好地反映其循环塑性变形特征，为粉末构件的应力应变分析打下了基础。其次，进行了FGH95疲劳特征的试验研究。不同保载条件下的疲劳寿命表明FGH95是一种压保载敏感材料，压保载使其疲劳寿命降低、数据分散带增加；另外，其疲劳破坏还体现出了“脆性”特征。这些都增加了寿命预测的难度，采用Manson-Coffin方程、Ostergren法、SRP法及SEP法进行的寿命评估结果均不理想，表明对于高强度、低韧性的粉末材料，传统的寿命预测方法已经不再适合了。鉴于此，本文建立了迟滞环修正模型，其形式简洁、物理意义明确，较好地解决了试验室条件下粉末材料的寿命预测问题。再次，由于制造工艺的特点，粉末冶金材料的强度和寿命对微缺陷（夹杂、气孔、表面划伤）十分敏感，导致其破坏具有较大的分散性，使得寿命预测更为困难。本文根据国内粉末材料中缺陷的分布特点，基于一些文献中概率断裂分析的思路，对原有方法进行了修正和推广，给出了缺陷处于表面、亚表面和内部时的定义方式以及缺陷在这些不同位置出现时引起的失效概率，建立了一个可考虑缺陷形状、大小、位置等分布特征的寿命预测概率模型，由此可以定量地分析缺陷对粉末高温合金及其构件性能的影响。最后，将Chaboche本构模型、迟滞环修正模型及概率模型应用于某型粉末盘的计算分析，获得了粉末盘在工作条件下的应力分布，估算了轮盘的疲劳寿命，发现了缺陷对轮盘强度及寿命的影响规律，由此得出了一些对粉末盘工程设计和应用具有指导意义的结论，也指出了一条粉末材料及其构件的分析思路。每项工作都编制了相应的软件程序包，为进一步的研究工作打下了基础。