JG4246A高温合金尾喷管密封片裂纹机理分析

针对由Ni3Al基JG4246A高温合金精铸的航空发动机尾喷管密封片在工作后出现的裂纹故障,通过开展密封片外观检查、裂纹断口分析、组织检查、化学成分分析、组织和再结晶热模拟试验等,对裂纹的性质和产生机理进行了分析。结果表明:密封片的裂纹性质为以热应力为主导致的疲劳裂纹,起源于密封片表面的再结晶层。密封片边缘局部温度超过材料允许使用温度,使其表面产生再结晶,在热应力作用下再结晶逐渐开裂形成微裂纹;局部超温也引起基体组织转变,降低了基体本身的高温性能,并促进裂纹逐渐向基体扩展,最终形成宏观裂纹。为避免类似故障再次发生,建议进一步优化密封片结构,改善温度场温度梯度,降低工作温度;增加去应力退火工艺,以降低构件的残余应力。

稀土元素Ce与Y对JG4246A合金高温氧化行为的影响

在第二代高温合金JG4246A中分别添加不同含量的稀土元素Ce和Y,得到含0.012Ce(质量分数,%,下同)、0.017Ce、0.034Y、0.061Y四种合金铸锭,研究了在1100℃下Ce与Y对合金高温抗氧化性能的影响。采用X射线衍射仪(XRD)及扫描电镜(SEM)分析了氧化膜的物相组成以及氧化表面的形貌。结果表明,JG4246A合金在1100℃空气中恒温氧化过程中,添加稀土元素可以减少合金的氧化质量增加,氧化动力学符合抛物线规律;相对于稀土元素Y,Ce对减缓JG4246A合金的高温氧化速率的作用更显著;稀土元素的添加没有改变氧化膜的表面形貌,但是生成的尖晶石型氧化物使氧化膜更加致密,能够抑制阳离子的向外扩散,降低氧化反应速率,从而提高高温抗氧化性能。

JG4246A合金返回料夹杂物分析

分析了不同类别JG4246A返回料清洗处理前后表面夹杂物种类及分布。结果发现,返回料清洗前表面以与型壳反应后生成的Al_(2)O_(3)夹杂物为主,面积分数为24%~25%,同时存在少量HfO_(2)、富Ti氧化物及富Zr和Hf的氧化物。返回料处理后,表面仍存在一定数量Al_(2)O_(3)夹杂物,少量富Hf、富Zr和Si夹杂。返回料100%清洗并熔化后浮渣较多,无法满足返回料再利用需求,需进一步提高返回料母合金洁净度。

发动机喷管扩张密封片裂纹失效机理研究

航空发动机喷管扩张密封片采用JG4246A金属间化合物高温合金铸造。针对发动机工作过程中产生的扩张密封片裂纹故障,利用视频显微镜、扫描电镜等设备,通过对故障扩张密封片进行宏观检查、断口分析、表面形貌检查、材质分析以及JG4246A材料高温热模拟试验组织对比分析,确定扩张密封片裂纹的性质和失效机理。结果表明:扩张密封片裂纹为以热应力为主引发的疲劳裂纹;组织热模拟试验对比得出,故障部位承受的最高温度已超过JG4246A的许用温度1 200℃,组织中初生γ'相明显回溶,导致性能大幅降低;在冷热交变条件下,故障部位产生较大的热应力梯度,超过了材料的疲劳极限,从而最终导致疲劳开裂。提出提高铸造工艺和优化设计的改进建议。

收敛调节片底板后段精密铸造工艺

收敛调节片底板后段精铸件,其为航空发动机收扩喷口处的薄壁结构件,采用JG4246A合金熔模铸造成形。试制过程中铸件在底板、筋条位置极易产生裂纹、缩松等缺陷,导致铸件合格率下降。通过优化浇注系统,调整型壳保温毡包裹方式、预热温度和浇注参数等措施,最终确定了控制模组浇注系统、型壳包裹的要点、浇注注意事项及后续清理工作的控制措施,减少了裂纹、缩松等缺陷,铸造合格率达到85%。