紧固件高温合金应力松弛机制及高松弛稳定性组织设计和控制

With vigorously promote aerospace engines in recent years, superalloy fasteners has been put into use widely. But compared with turbine disc and blade, the stress relaxation of fasterner superlloy are few to research even no complete theory. How to find a measure of the design of microstructure with high stress relaxation stability as well setting theory model is a good selected topic. By abundant experiment accumulations and pioneered works, the theoretical analyses of dislocation and creep deformation mechanism map and a multi-microstructure parameter analytical method are invistigated by means of synthetical experimental design, data processing and multiple linear regression analysis method. Based on these experiment results and theory calculation, it is obtained the quantitative association rules between stress relaxation rate with multi microstructure factors.

随着近年来航空发动机等的大力推进，做为热端部件之一的高温合金紧固件也随之大量投入使用。但与 “皇冠级”的涡轮盘和叶片已有大投入研发相比，后者就显得微不足道，甚至对应力松弛的理解和数据积累方面都存在很大的缺口。如何尽快积累数据以解燃眉之急又找到一种通过对微观组织进行设计，以提高应力松弛稳定性的方法就成为了一项急迫又具现实意义的选题。本项目是在申请人已积累大量高温合金工艺与组织控制的实验数据及初步开展应力松弛与组织关联性研究基础上，提出一种基于位错理论和蠕变变形机制图并结合多组织因素关联影响的综合分析应力松弛速率的方法，通过系统的理论分析和实验设计，再利用多元回归数值计算，建立应力松弛速率与多组织因素间的理论控制原则和关联定量关系，依此提出高应力松弛稳定性的组织构建和合金设计原则，并经逆向设计提出热处理等工艺的制定依据。为高抗应力松弛稳定性合金设计及材料工艺制定提供实验和理论依据。

伴随航空航天科技的发展，无论是在理论研究方面还是实际使用方面，均对广泛应用于航空航天领域的紧固件用高温合金提出了更高的要求。系统研究了GH2132、GH4169、GH4169D、GH4738、GH6159、GH350等紧固件用高温合金在不同试验条件和组织特征下的应力松弛行为，并对应力松弛后的微观组织进行了仔细的观察分析。表明随着温度的升高，合金的应力松弛极限及松弛稳定系数均有下降。初应力逐渐增大，在加工硬化作用以及高温软化作用的共同作用下，合金的应力松弛稳定性呈现先增加后减小的变化趋势。同时以应力松弛试验数据为依据，构建热力学及动力学模型，并结合应力松弛稳定性以及微观组织演变规律，归纳总结出应力松弛机制原理图。. 进而改变热处理工艺得到具有不同δ相和晶粒尺寸的GH4169合金，增加δ相含量能够有效改善GH4169合金在低初应力状态下的应力松弛稳定性；适当增大晶粒尺寸也能够显著改善GH4169合金的应力松弛稳定性。可通过调整元素配比、改变热处理制度等手段以调控合金组织来提高低性能合金的应力松弛稳定性能。基于大量的试验数据分析，应用延迟函数拟合求解应力松弛极限在超温及高初应力条件下存在局限性，这是由于在这两种试验条件下合金的应力松弛稳定性差，不能在短时间内实现稳态。因此，为了提高函数拟合求解应力松弛极限的精确度应适当延长试验时间。. 总之，系统的研究工作旨在为紧固件用高温合金积累应力松弛数据，针对不同合金的组织特征深入研究其对应力松弛行为的影响并对比典型高温合金的应力松弛性能，为紧固件实际生产和应用提供了理论和实验依据。