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度和韌性，因此廣泛應(yīng)用于渦輪盤、壓氣機軸、壓氣機葉片等航空航天發(fā)動機系統(tǒng)關(guān)鍵部位[3-4]。由于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)件服役環(huán)境惡劣，長期在高溫環(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，對合金中間使用溫度的疲勞性能缺少試驗數(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合金螺栓的進一步研究發(fā)展和試驗驗證提供理論基礎(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合金螺栓進行拉伸試驗，螺栓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格號分別為Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25，試驗溫度分別為常溫（25℃）、300℃、500℃、650℃等典型溫度，試驗結(jié)果見表1～表3。由試驗數(shù)據(jù)可知，GH4169合金螺栓在650℃的高溫下抗拉強度約為常溫抗拉強度的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的強度

表3 螺栓Q/JL 1S 218-12×1.25的強度

根據(jù)《GH4169（抗疲勞）螺栓螺釘通用規(guī)范》[6]，計算可得，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次計算平均值，疲勞頻率不應(yīng)有較大波動且不超過140 Hz。

表2 螺栓Q/JL 1S 218-10×1.25的強度

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應(yīng)抗拉力理論值的54%的原則，計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)研究和試驗數(shù)據(jù)總結(jié)，不同溫度下GH4169合金螺栓疲勞試驗理論值的選擇有兩種途徑，即根據(jù)抗拉強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)抗拉強度選擇疲勞載荷理論值。首先，通過將常溫下螺栓的拉伸強度理論值（Ft）和實際值（Fr）相除得到一個理論值與實際值的比例系數(shù)α，如公式（1）所示：

然后，根據(jù)上文中測得的300℃、500℃時的抗拉強度的實際值和比例系數(shù)α，計算可得300℃、500℃時抗拉強度的理論值。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，難以對螺栓不同溫度的疲勞性能進行全面評估和驗證。

根據(jù)表6選定的疲勞載荷進行試驗，試驗結(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，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環(huán)境中的空氣有很大關(guān)系，GH4169合金長時間暴露在高溫環(huán)境中進行高頻率疲勞試驗，相比于抗拉試驗更容易發(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，并可沿晶界進入裂紋尖端，進一步拓寬裂紋擴展通道，從而加速裂紋擴展并最終導(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螺栓高溫疲勞性能的影響。

表6 根據(jù)抗拉強度確定的疲勞載荷理論值

表7 根據(jù)表6進行疲勞試驗的試驗結(jié)果（×100）

根據(jù)何玉懷等人[12]的理論研究和試驗結(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選定的疲勞載荷進行試驗，試驗結(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螺栓高溫疲勞性能的影響，較為符合實際試驗情況，且疲勞載荷理論值的數(shù)值較為分散，可以更有效地對高溫合金螺栓高溫疲勞性能進行評估和驗證。

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進行疲勞試驗的試驗結(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個溫度下進行了拉伸試驗和疲勞試驗。針對高溫合金在高溫疲勞試驗中缺少疲勞載荷理論值的情況，提出了根據(jù)抗拉強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，并逐一進行了理論分析和試驗驗證?？紤]到環(huán)境氧化因素和蠕變因素對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高溫合金螺栓高溫疲勞性能進行評估和驗證。