鎳基合金熱處理-校對資料.doc

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1、8.3鎳基高溫高彈合金的應(yīng)力松弛鐵基高溫高彈合金中往往含有不少的Ni和Cr,但鎳的含量總是少于50%?當(dāng)合金中的含鎳量超過50%時,則屬于鎳基合金了?這類合金是在電熱合金Ni80Cr20的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,取名尼蒙尼克(Nimonic)系合金?例如尼蒙尼克75?80A?115?120等,其熱強性依次提高,相應(yīng)地有美國研制成的取名因康耐爾(Incone1)系合金等?我國的高溫合金(GH)中相應(yīng)有GH4169(Incone1718)和GH4133(與InconelⅩ-750相近)?這些合金是Ni一Cr或Ni-Cr-Co為基的固溶體,其

2、特性是耐熱穩(wěn)定性(熱強性)好,耐蝕性高,大部分合金在較大溫度范圍內(nèi)無磁性?下面重點以GH合金制造的汽油發(fā)動機中的刮片彈簧為例,討論應(yīng)力松弛問題?8.3.1耐熱彈簧(刮片簧)的松弛變形失效與選材1)汽油機轉(zhuǎn)子發(fā)動機刮片簧的工況條件與技術(shù)要求汽油機轉(zhuǎn)子發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單?質(zhì)量輕?高速動力性能好等優(yōu)點,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-5a所示?轉(zhuǎn)子發(fā)動機缸體1中有一個三角形轉(zhuǎn)子2,轉(zhuǎn)子的三個邊把缸體分割成三個工作室,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈,每個工作室依次進氣?壓縮?點火?爆發(fā)到排氣完成一個工作循環(huán)?為了保證密封,轉(zhuǎn)子的三角上都有一個刮片3?刮片的底部均有一個

3、弓形刮片簧4?它的作用是要保證刮片始終與缸體型面相貼合?因此,刮片彈簧是轉(zhuǎn)子發(fā)動機中一個重要的功能性零件?因為它的工作情況直接影響到片簧與缸體的密封效果,即直接影響到發(fā)動機性能發(fā)揮的好壞?由于刮片簧是在缸體內(nèi)工作,工況條件苛刻,工作溫度經(jīng)常在300℃~380℃之間,局部極限溫度可達800℃,瞬時高溫燃氣還會掃過,工作應(yīng)力較高,且易氧化和腐蝕等?刮片彈簧尺寸隨機型的不同而有差別?試驗用的刮片彈簧為弓形薄片狀(圖8-5b),長?寬?高分別為63?4.39?0.63mm?弓形自由高度為4.18mm?裝配高度為1.98mm?假定刮片簧工作

4、一段時間后的自由高度降低0.05mm,經(jīng)計算其應(yīng)力松弛值為2.27%[5]?實際表明,應(yīng)力松弛和蠕變是刮片彈簧失效的主要原因?2)刮片彈簧的受力分析與材料選擇大多數(shù)的耐熱彈簧在高溫時承受一個較大的靜載荷和一個較小的循環(huán)載荷?刮片彈簧也是這樣,即保證片簧與缸體型面始終貼合的彈力P必須大于此時刮片的徑向慣性力Fr?設(shè)計者經(jīng)過研究和計算,為了使發(fā)動機正常起動和運轉(zhuǎn)(例如起動速度為300r/min),只需P比Fr大0.05N即可?事實上,當(dāng)轉(zhuǎn)子起動后的Fr很小,可以忽略不計,此時主要靠徑向背壓力來保證刮片與缸體型面的貼合密封?刮片彈簧的彈

5、力主要用來克服起動時刮片徑向慣性力,并保證它與缸體型面的密封?絕大多數(shù)的場合下,刮片彈簧的彈力均大于0.06N?刮片簧在起動時和啟動后都處于裝配高度之下,故可認為它承受的是單一的靜載荷?如考慮循環(huán)載荷(例如,每一個工作循環(huán)都受到燃氣產(chǎn)物的沖掃等)和磨損,刮片簧的彈力還應(yīng)大一些,例如,取P=7.36N(如德制ΚΚM612型轉(zhuǎn)子發(fā)動機的刮片簧)?總之,刮片簧的受力雖然較復(fù)雜,但經(jīng)實際分析,刮片的徑向慣性力和循環(huán)載荷都較小,可以忽略不計,因此它承受的主要是靜載荷?在服役過程中的失效形式不是疲勞斷裂,而是蠕變和應(yīng)力松弛?通過初步計算,刮片

6、簧的應(yīng)力松弛值為2.27%,此時相應(yīng)的蠕變行為引起時殘余變形量只有0.005%,即松弛攣形為蠕變量的460倍?所以,應(yīng)力松弛(或松弛變形)是刮片彈簧失效的主要原因?如選用一般彈簧鋼(65Mn或50CrVA片材)制作,顯然不合適?區(qū)它們使用一段時間就嚴(yán)重變形,喪失彈性,使發(fā)動機性能急劇下降,甚至造成停機事故,再次啟動十分困難,故這類材料不宜選用?一般選用高溫合金來制造,例如選用鐵基的3J型或GH2132(A286)制造,因為這些合金在高溫下的松弛抗力比通用彈簧鋼好得多?這幾種合金以最佳熱處理狀態(tài)制造刮片彈簧,再在320℃和400℃下

7、保持150h后的撓度變化()及應(yīng)力松弛率()見表8-5?由該表中數(shù)據(jù)可知,在320℃下夾持150h后,3J-1片簧的撓度變化值為0.084mm,3J-3比3J-1好,是其81%,GH2I32(A286)合金者更好,是其51%?如在400℃試驗時,三種材料的撓度均相應(yīng)減小,但更顯出GH2132合金優(yōu)于3J-3,以3J-1合金最差?某廠用3J-1合金制成的上述尺寸的刮片簧在裝車試驗時失效?失效的3J-1合金片簧由均勻弓形的一段變成近似平直,其余部分仍然完好?平直的部分表面發(fā)黑?在發(fā)黑(平直)部分?完好部位和介于兩者之間的過渡部位分別取

8、樣,進行金相組織觀察?結(jié)果是:完好部位仍為3J-1合金時效后組織;過渡部位已開始了局部再結(jié)晶,但仍只留了部分′相;而發(fā)黑部位幾乎是全部再結(jié)晶,但其再結(jié)晶過程并未完成?3J-1合金的再結(jié)晶開始溫度在800℃左右,由金相組織分析表月,發(fā)黑部位的實際溫度