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1、第一章绪论1.1选题目的及意义焊接结构广泛地应用在船舶、压力容器、车辆、桥梁、海洋工程、工程机械、航空航天、电力、冶金等重要领域。目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的45%以上 1-2 ，工业发达国家的这一比例已经接近70%。疲劳断裂是金属焊接结构典型的断裂形式之一。大量事实表明3-8 ：疲劳是焊接结构最主要破坏形式，由于疲劳裂纹引起的结构失效断裂事故占总断裂事故的70%80%。而在航天发动机多种构件，如燃烧室的火箭筒，机匣、支板、尾喷气口调节片均是通过焊接结构。且航空发动机中焊接构件，特别是转动件，如涡轮叶片和涡轮盘等， 常常要承受类似离心应力、振动应力等
2、周期载荷作用，当这种载荷较大时， 往往会造成疲劳断裂， 给航空发动机和燃气轮机带来严重破坏， 造成重大经济损失。 因此，开展高温合金焊接结构的疲劳寿命分析和评估，对于正确合理的进行焊接结构设计，提高航空发动机正常稳定工作及安全，具有至关重要的意义。1.1.1 高温合金简介耐热合金又称高温合金，是指在600 1200高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。高温、较大应力、 表面稳定和高温合金化铁基或镍基、钴基奥氏体是不可缺一的四大要素。一般来说，金属材料的熔点越高，其可使用的温度极值越高。随着环境温度的升高，金属材料的机械性能显著下降，氯化腐蚀的趋势相应增大。因此，普通的金属材料长期
3、工作的温度范围约为500 600，能在 700以上高温工作的金属统称为高温合金。“耐热”是指其具有较好的高温性能， 良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、 抗疲劳性能、 以及断裂韧性等综合性能 1 。高温合金以其良好的高温强度和抗氧化腐蚀性能、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、 断裂性能和组织稳定性， 成为现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料。按照不同的标准可以将高温合金分为以下几类2 ：（1）按基体不同可分：铁基、镍基、钼基、铌基和钨基等，它们在高温下都具有良好的机械性能和化学稳定性。其中镍基合会是最优的超耐热金属材料，经处理后，其使用温度可达 10001100。（2）按强化方式分：固溶强化、第二相强
4、化和晶界强化高温合金。（3）按生产工艺可分为：变形、铸造、粉末冶金和机械合金化高温合金。1.1.2高温合金的发展及应用高温合金的发展离不开航空发动机的发展，而航空发动机的发展与各种军用飞机的发展密切相关。英国是世界上最早研究和开发高温合金的国家。1939年英国继德国 Heinkel涡轮发动机问世之后，独立研制成 Whittle 发动机。为满足这种发动机热端部件的要求，英国国际镍公司于该年成功研制成 Nimonic75 合金 3 。美国高温合金的发展晚于英国。 高温合金在美国的发展起始于上世纪三十年代， 主要应用于飞机发动机的涡轮增压器。 1942年美国钴业公司发展了 Hastelloy B 变
5、形镍基合金，用于通用电器公司研制的 Bellp 59喷气发动机。1943年在通用电器公司的 J33 发动机使用了钴基合金 HS-21制作涡轮工作叶片，代替原来选用的变形合金Hastelloy B，开创了使用铸造高温合金制作涡轮叶片的历史4 。由于吸收了英国高温合金发展的宝贵经验， 很快发展了 40多种高温合金。 1944年美国西屋公司的 Yan Kee 19A发动机采用了钴基合金 HS-23精密铸造叶片 5 。1950年由于钴资源短缺，镍基高温合金迅速发展，广泛用作涡轮叶片。这一时期，美国普惠公司、通用电器公司和特殊金属公司分别研制成功 Waspalloy 、M-252和 Udimet 500
6、等合金，并在这些合金的基础上，采用了类似于 Nimonic 合金的不断强化的方法，发展形成了 Inconel 、Mar-M和Udimet等牌号系统 6 。直到现在，镍基合金用量愈来愈大，用途愈来愈多。 50年代，由于真空熔炼技术的出现，广泛发展了镍基铸造合金 IN-100 、Rene 100和 B 19007 。 60年代和 70年代，高温合金在美国的新工艺蓬勃发展，工艺技术的发展超过了合金成分的研制， 成为高温合金向前发展的主要推动力，发展了许多性能更优越的高温合金， 如定向凝固（ DS）合金，单晶（ SC）合金和 DS共晶合金。单晶合金的使用温度达到了合金熔点的 90%。又如粉末合金和弥散
7、强化高温合金， 利用高温合金粉末制备高强度涡轮轮盘， 利用弥散强化合金制备火箭筒、导向叶片和涡轮叶片。在高温合金的研究、生产和应用方面，美国在全世界处于领先地位。中国航空工业自 1951年4月开始建立，经历了从维修、仿制、改进、改型到自主研发的道路。 最初仿制前苏联的米格 15飞机，国产化发动机叫做 WP5，中国高温合金的生产就是从试制WP5发动机所需高温合金开始的。 1956年初由第二机械工业部和重工业部批准WP5发动机火箭筒材料 GH3030合金的试制任务 8 。同年，在前苏联专家指导下，由抚顺钢厂将钢锭锻成板坯，表面质量良好 9 。1957年，沈阳发动机厂用国产 GH3030板材加工成火
8、焰筒，在 WP5发动机上通过了长期试车考核 8 ，我国第一个高温合金正式试制成功。继 GH3030试制成功之后，抚顺钢厂又试制成功 WP5用涡轮叶片合金 GH4033和涡轮盘合金 GH34，航空材料研究所试制成功涡轮导向叶片材料 K412铸造镍基合金。到 1957年底，歼 5飞机发动机用 4种高温合金全部试制成功 4 。1958年为配合 WP6发动机的生产，开始对涡轮叶片合金 GH4037、火箭筒材料 GH3039和鱼鳞片材料 GH3044开展试制工作 8 。其中，抚顺钢厂把电渣重熔工艺应用于 GH4037合金，由于夹杂物含量降低，热加工塑性提高，为 GH3047合金的试制成功奠定了基础，也为
9、高温合金生产开辟了型的途径。由于中国缺少镍，为了节约镍，利用国产资源，我国开展了以铁代镍的高温合金研究工作。 1958年，师昌绪先生带领中国科学院金属所高温合金研究组，相继成功研制出铁基高温合金808、GH2135、 GH1140等。其中航空材料研究所研制成功的 GH1140铁基板材合金，抗冷热疲劳性能好，塑性高，已成为一种优良的、生产量最大的火箭筒材料10 。钢铁研究总院研制的铁基合金 K213合金是中国目前比较理想的750以下工作的增压涡轮材料10。中科院金属所研制的 GH2035A铁基变形合金，制成涡轮螺浆发动机一级涡轮内外环零件并已投入民航使用 10。同期，我国除了开展以铁代镍的高温合
10、金研制外，还开展了以铸代锻的高温合金工艺研究。 中国科学院金属所成功研制美国最成熟的铸造镍基合金 IN100，钢铁研究总院研制成功铸造镍基合金 K41810等。进入 20世纪 90年代，我国自行设计出自己的先进航空发动机， 科研部门研制了一批具有先进水平的高温合金，如定向凝固镍基高温合金 DZ417G等，单晶合金 DD403、DD402等。进入 21世纪，由于能源的需要， 我国为满足不同型号中型和重型燃气发动机的需要， 正在研制一批抗热腐蚀高温合金， 例如铸造涡轮叶片合金 K44411、K43512 、K4461314和变形合金涡轮叶片合金 GH4413 等。 50多年来，我国高温合金研究已经
11、取得了令人瞩目的成就， 几十年来，中国共生产 6万多吨高温合金， 保证了我国 5万多台航空发动机及航天火箭发动机的生产需要， 同时也满足了其他民用工业及燃气轮机的要求 8 。高温合金在航空发动机和各种工业燃气轮机中有广泛的应用。 自四十年代初期，由于迫切要求发展先进燃气涡轮发动机的技术， 促使高温合金得到了快速发展。在现代先进的航空发动机中， 高温合金材料在发动机总重量的质量比重达到了5 。高温合金主要应用于航空发动机的四大热端部件，即：导向器、40% 60%涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。 这些热端部件在实际工作状态中承受着非常复杂的载荷状况。所以要求高温合金必须具有良好的热稳定性、 热强性和使用
12、条件下的长期组织的稳定性。 除在航空发动机和各种工业燃气轮机中有广泛的应用外， 还可以用于制作火箭发动机的各种高温零部件，如发动机涡轮轴、盘、喷管等，此外，在能源动力、石油化工，交通运输和玻璃建材等工业部门均有应用，甚至可以用作低温钢材和耐蚀材料4 。1.1.3GH4169高温合金简介及应用发展本课题主要是对 GH4169高温合金的断裂力学性能和疲劳性能进行研究， 所以在本节将对该合金作出概述。 GH4169合金是镍一铬一铁基高温合金。 GH4169合金属于镍基变形高温合金。 镍基合金是一种最复杂的合金。 它被广泛地应用于制造各种高温部件。 同时，也是所有高温合金中最为注目的一种合金。 它的相
13、对使用温度在所有普通合金系中也是最高的。 目前，先进的飞机发动机中这种合金的比重在 50%以上 5 。GH4169合金是由国际镍公司亨廷顿分公司的Eiselstein研制成功，于 1995年公开介绍的时效硬化镍铬铁基变形合金。合金是以体心立方和面心立方相为沉淀强化的一种镍基变形高温合金， 在 0以下具有高的抗拉强度、 屈服强度和良好的塑性，具有良好的抗腐蚀、抗辐射能、疲劳、断裂韧性等综合性能，以及满意的焊接和焊后成型性能等15。合金在 -253 650很宽的温度范围内组织性能稳定，成为在深冷和高温条件下用途极广的高温合金。由于GH4169良好的综合性能， 目前被广泛用于航空发动机的压气机盘、压
14、气机轴、压气机叶片、涡轮盘、涡轮轴、机匣、紧固件和其它结构件和板材焊接件等。我国于 70年代开始研制 GH4169合金，主要应用于盘件，使用时间比较短，所以采用真空感应加电渣重熔的双联工艺。八十年代开始应用于航空领域，提高和改进材料质量、提高合金的综合性能和使用可靠性成为主要的研究方向16。当前 GH4169合金的主要研究方向为 17：（1） 改进冶炼工艺，量化冶炼参数，实现程序稳定操作，使合金显微组织更加均匀，从而得到优良的屈服和疲劳强度以及抗裂纹扩展止裂能力，提高低周疲劳强度等；（2） 改进热处理工艺。目前的热处理工艺不能很好的消除钢锭中心的偏析，所以对组织的均匀性有不利影响，因此采用合理的均匀化退火工艺，得到细晶坯料成为现在的主要研究方向之一；（3） 改进使用设计。由于 GH4169的工作温度不能高于650，所以应当加强零部件的冷却，充分发挥该高温合金的高性能、低成本等优点；（4） 提高组织稳定性能。由于航空发动机部件的长寿命要求，对于提高GH4169合金长期时效组织稳定性方面也是至关重要的。本文的研究对象是直接时效GH4169锻件，这种合金材料的化学成分如表1-1所示，其对应的力学性能见表1-2 。直接时效锻造工艺，按照一定的质量要求控制 GH4169合会坯料，锻造温度比高强工艺更低， 变形量比高强工艺更大， 锻后水冷、然后采用时效热处理制度进行热处理。 这种工艺可以保
