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《清华大学》 2011年
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焊接修复自涡导向器的结构完整性评定

蔡培琳  
【摘要】:作为目前Cr含量最高的镍基铸造高温合金,K4648合金具有中等强度、优异的高温抗氧化和抗热腐蚀性能,被用于制造整铸导向器等零件。某型自涡导向器叶片采用镍基高温合金K4648制造,在服役一定时间后,叶片根部出现了裂纹。采用TIG焊接工艺修复后,焊接接头区还存在着焊接裂纹。需要对这些裂纹的安全性进行评定,以预测存在裂纹的导向器的服役寿命。因此本文对焊接修复后的自涡导向器进行了完整性评定。 首先在对涡轮导向器运行工况和失效情况进行分析的基础上,采用热弹塑性有限元方法计算了实心叶片和空心叶片在工作中的热力过程,获得了相应的温度场和应力场,发现导向器叶片在服役过程中经历了热应力和残余应力所组成的“压-拉”高幅值交变应力,应力较高的危险区域位于叶片与内、外环相接的位置以及空心叶片空心腔的边缘。对导向器进行了残余应力测试,验证了有限元分析能够准确预测自涡导向器中残余应力的分布规律。 通过观察失效的自由涡轮导向器发现主要有变形和裂纹缺陷。采用扫描电镜对造成导向器失效的三条穿透裂纹进行重点观察和分析,观察到了明显的断裂起源区、放射棱、疲劳辉纹和河流花样等疲劳裂纹的特征,从而确定这些裂纹是服役过程中在疲劳载荷下萌生并逐步扩展形成的疲劳裂纹,对于叶片裂纹的安全评定和寿命预测应该基于疲劳裂纹扩展理论。 为获得安全评定和寿命预测所需的材料性能数据,依据国家标准对镍基合金K4648合金TIG焊接接头常温条件下的断裂和疲劳性能进行了试验研究,分别得到了母材、焊缝区和热影响区三个区域的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率。 在以上工作的基础上,基于英国标准BS7910制订了的相应的计算流程与方法,编制了相关计算程序,针对焊接修复后的自涡导向器叶片,计算了裂纹的损伤容限,以及在服役寿命内安全使用所允许存在的最大初始裂纹长度。 论文研究工作为制定自涡导向器焊接修复质量控制标准提供了依据。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG457.2

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