GH4169高溫合金螺栓高溫疲勞載荷理論值的選擇研究

張盼霖

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100020）

GH4169合金為國產(chǎn)鎳基高溫合金，其成分和性能與美國INCO Huntington Alloys公司開發(fā)的Inconel 718合金類似[1-2]，具有高溫耐腐蝕、高溫抗氧化和高溫抗疲勞抗蠕變等優(yōu)良性能，特別是在650℃高溫下仍具有較高的強(qiáng)度和韌性，因此廣泛應(yīng)用于渦輪盤、壓氣機(jī)軸、壓氣機(jī)葉片等航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵部位[3-4]。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件服役環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下承受交變載荷作用，因此高溫疲勞性能是GH4169合金最重要的力學(xué)性能之一。

螺栓是最基礎(chǔ)的外螺紋緊固件之一，常與螺母配合使用，大量應(yīng)用于航空航天飛行器的安裝結(jié)構(gòu)，其性能直接影響飛行器連接的可靠性。目前，針對(duì)GH4169合金螺栓疲勞性能的研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較多，但大多只涉及室溫疲勞和最高使用溫度（650℃）的疲勞性能，對(duì)合金中間使用溫度的疲勞性能缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究。GH4169合金因沉淀相和基體共格畸變較大而導(dǎo)致在-253～650℃這一很大溫度范圍內(nèi)都具有很高的組織穩(wěn)定性和性能穩(wěn)定性[5]，研究不同溫度下GH4169合金螺栓的疲勞性能和疲勞載荷理論值的選擇具有很大的工程應(yīng)用意義，并為GH4169合金螺栓的進(jìn)一步研究發(fā)展和試驗(yàn)驗(yàn)證提供理論基礎(chǔ)。

1 不同溫度下GH4169合金螺栓的拉伸性能

選擇3種不同規(guī)格的典型GH4169合金螺栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，螺栓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格號(hào)分別為Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25，試驗(yàn)溫度分別為常溫（25℃）、300℃、500℃、650℃等典型溫度，試驗(yàn)結(jié)果見表1～表3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，GH4169合金螺栓在650℃的高溫下抗拉強(qiáng)度約為常溫抗拉強(qiáng)度的82%～87%，具有較為良好的高溫穩(wěn)定性。

表1 螺栓Q/JL 1S 218-8×1的強(qiáng)度

表3 螺栓Q/JL 1S 218-12×1.25的強(qiáng)度

根據(jù)《GH4169（抗疲勞）螺栓螺釘通用規(guī)范》[6]，計(jì)算可得，螺栓Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25的螺紋應(yīng)力面積分別為38.77 mm2、60.57 mm2、91.31 mm2，由此可以獲得3種螺栓的抗拉力數(shù)值，如圖1所示。

圖1 GH4169合金螺栓的抗拉載荷

2 不同溫度下GH4169合金螺栓疲勞試驗(yàn)理論值的選擇

根據(jù)《GH4169（抗疲勞）螺栓螺釘通用規(guī)范》，GH4169合金螺栓常溫疲勞試驗(yàn)的疲勞高載理論值為相應(yīng)抗拉力理論值的54%，疲勞低載為疲勞高載的1/10，見表4。合格判據(jù)為螺栓疲勞壽命的平均值不低于65 000次，單件螺栓疲勞壽命不能低于45 000次，單件螺栓疲勞壽命高于130 000次，按130 000次計(jì)算平均值，疲勞頻率不應(yīng)有較大波動(dòng)且不超過140 Hz。

表2 螺栓Q/JL 1S 218-10×1.25的強(qiáng)度

表4 螺栓常溫疲勞載荷理論值 單位：kN

根據(jù)《GH4169（抗應(yīng)力斷裂）螺栓螺釘通用規(guī)范》可知GH4169合金螺栓650℃的高溫拉伸理論值[7]，根據(jù)上文中疲勞高載理論值為相對(duì)應(yīng)抗拉力理論值的54%的原則，計(jì)算可得合金疲勞載荷理論值，見表5。

表5 螺栓650℃疲勞載荷理論值 單位：kN

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)，不同溫度下GH4169合金螺栓疲勞試驗(yàn)理論值的選擇有兩種途徑，即根據(jù)抗拉強(qiáng)度選擇疲勞載荷理論值和根據(jù)溫度梯度選擇疲勞載荷理論值。

高溫合金螺栓的疲勞性能和抗拉性能密切相關(guān)，大量文獻(xiàn)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都將抗拉力理論值和疲勞載荷理論值設(shè)置為一定的比例關(guān)系（大多為50%）。因此，可以根據(jù)抗拉強(qiáng)度選擇疲勞載荷理論值。首先，通過將常溫下螺栓的拉伸強(qiáng)度理論值（Ft）和實(shí)際值（Fr）相除得到一個(gè)理論值與實(shí)際值的比例系數(shù)α，如公式（1）所示：

然后，根據(jù)上文中測(cè)得的300℃、500℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度的實(shí)際值和比例系數(shù)α，計(jì)算可得300℃、500℃時(shí)抗拉強(qiáng)度的理論值。最后，根據(jù)疲勞高載理論值為相應(yīng)抗拉力理論值的54%的原則計(jì)算可得相應(yīng)理論值，見表6。由表6可知，此方法所確定的疲勞載荷理論值過于集中，不同溫度間疲勞載荷理論值相差較小，特別是Q/JL 1S 218-8×1螺栓300℃、500℃的疲勞載荷理論值僅相差0.27 kN，難以對(duì)螺栓不同溫度的疲勞性能進(jìn)行全面評(píng)估和驗(yàn)證。

根據(jù)表6選定的疲勞載荷進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，隨著溫度的升高，3種螺栓的疲勞壽命降低，特別是650℃時(shí)，螺栓疲勞壽命明顯下降并出現(xiàn)部分不合格試樣。根據(jù)吳楠、張顯程等人[8]的研究，GH4169高溫合金在高溫條件下疲勞性能下降較快和試驗(yàn)環(huán)境中的空氣有很大關(guān)系，GH4169合金長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中進(jìn)行高頻率疲勞試驗(yàn)，相比于抗拉試驗(yàn)更容易發(fā)生氧化現(xiàn)象降低合金性能。氧氣與合金材料晶界處的成分相結(jié)合，導(dǎo)致晶界脆化和裂紋萌生，并可沿晶界進(jìn)入裂紋尖端，進(jìn)一步拓寬裂紋擴(kuò)展通道，從而加速裂紋擴(kuò)展并最終導(dǎo)致合金由高能的穿晶斷裂模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍艿难鼐嗔涯Ｊ?，降低合金疲勞性能。除此之外，高溫環(huán)境下合金材料的蠕變裂紋擴(kuò)展也是螺栓高溫疲勞性能大幅下降的原因之一[9-11]。根據(jù)抗拉強(qiáng)度選擇疲勞載荷理論值忽略了環(huán)境氧化因素和蠕變因素等對(duì)螺栓高溫疲勞性能的影響。

表6 根據(jù)抗拉強(qiáng)度確定的疲勞載荷理論值

表7 根據(jù)表6進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果（×100）

根據(jù)何玉懷等人[12]的理論研究和試驗(yàn)結(jié)果，GH4169高溫合金的疲勞性能與溫度近似呈線性關(guān)系，因此可以根據(jù)溫度梯度選擇疲勞載荷理論值。根據(jù)常溫疲勞載荷理論值和650℃的疲勞載荷理論值，計(jì)算得到的相應(yīng)理論值，見表8。

根據(jù)表8選定的疲勞載荷進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可知，GH4169高溫合金螺栓在高溫下的壽命下降較小，相比于根據(jù)抗拉強(qiáng)度選擇疲勞載荷理論值，此方法所確定的疲勞載荷理論值參考了環(huán)境氧化因素和蠕變因素對(duì)螺栓高溫疲勞性能的影響，較為符合實(shí)際試驗(yàn)情況，且疲勞載荷理論值的數(shù)值較為分散，可以更有效地對(duì)高溫合金螺栓高溫疲勞性能進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。

表8 根據(jù)溫度梯度確定的疲勞載荷理論值

表9 根據(jù)表8進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果（×100）

3 結(jié)束語

本文根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25 3種高溫合金螺栓在25℃、300℃、500℃、650℃等4個(gè)溫度下進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。針對(duì)高溫合金在高溫疲勞試驗(yàn)中缺少疲勞載荷理論值的情況，提出了根據(jù)抗拉強(qiáng)度選擇疲勞載荷理論值和根據(jù)溫度梯度選擇疲勞載荷理論值2種方法，并逐一進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證?？紤]到環(huán)境氧化因素和蠕變因素對(duì)螺栓高溫疲勞性能的影響，根據(jù)溫度梯度選擇疲勞載荷理論值的方法可以更有效地對(duì)高溫合金螺栓高溫疲勞性能進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證。