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1、8.3镍基高温高弹合金的应力松弛铁基高温高弹合金中往往含有不少的Ni和Cr,但镍的含量总是少于50%｡当合金中的含镍量超过50%时,则属于镍基合金了｡这类合金是在电热合金Ni80Cr20的基础上开发出来的,取名尼蒙尼克(Nimonic)系合金｡例如尼蒙尼克75､80A､115､120等,其热强性依次提高,相应地有美国研制成的取名因康耐尔(Incone1)系合金等｡我国的高温合金(GH)中相应有GH4169(Incone1718)和GH4133(与InconelⅩ-750相近)｡这些合金是Ni一Cr或Ni-Cr-Co为基的固溶体,其
2、特性是耐热稳定性(热强性)好,耐蚀性高,大部分合金在较大温度范围内无磁性｡下面重点以GH合金制造的汽油发动机中的刮片弹簧为例,讨论应力松弛问题｡8.3.1耐热弹簧(刮片簧)的松弛变形失效与选材1)汽油机转子发动机刮片簧的工况条件与技术要求汽油机转子发动机具有结构简单､质量轻､高速动力性能好等优点,其结构示意图如图8-5a所示｡转子发动机缸体1中有一个三角形转子2,转子的三个边把缸体分割成三个工作室,转子转动一圈,每个工作室依次进气､压缩､点火､爆发到排气完成一个工作循环｡为了保证密封,转子的三角上都有一个刮片3｡刮片的底部均有一个
3、弓形刮片簧4｡它的作用是要保证刮片始终与缸体型面相贴合｡因此,刮片弹簧是转子发动机中一个重要的功能性零件｡因为它的工作情况直接影响到片簧与缸体的密封效果,即直接影响到发动机性能发挥的好坏｡由于刮片簧是在缸体内工作,工况条件苛刻,工作温度经常在300℃~380℃之间,局部极限温度可达800℃,瞬时高温燃气还会扫过,工作应力较高,且易氧化和腐蚀等｡刮片弹簧尺寸随机型的不同而有差别｡试验用的刮片弹簧为弓形薄片状(图8-5b),长､宽､高分别为63､4.39､0.63mm｡弓形自由高度为4.18mm｡装配高度为1.98mm｡假定刮片簧工作
4、一段时间后的自由高度降低0.05mm,经计算其应力松弛值为2.27%[5]｡实际表明,应力松弛和蠕变是刮片弹簧失效的主要原因｡2)刮片弹簧的受力分析与材料选择大多数的耐热弹簧在高温时承受一个较大的静载荷和一个较小的循环载荷｡刮片弹簧也是这样,即保证片簧与缸体型面始终贴合的弹力P必须大于此时刮片的径向惯性力Fr｡设计者经过研究和计算,为了使发动机正常起动和运转(例如起动速度为300r/min),只需P比Fr大0.05N即可｡事实上,当转子起动后的Fr很小,可以忽略不计,此时主要靠径向背压力来保证刮片与缸体型面的贴合密封｡刮片弹簧的弹
5、力主要用来克服起动时刮片径向惯性力,并保证它与缸体型面的密封｡绝大多数的场合下,刮片弹簧的弹力均大于0.06N｡刮片簧在起动时和启动后都处于装配高度之下,故可认为它承受的是单一的静载荷｡如考虑循环载荷(例如,每一个工作循环都受到燃气产物的冲扫等)和磨损,刮片簧的弹力还应大一些,例如,取P=7.36N(如德制ΚΚM612型转子发动机的刮片簧)｡总之,刮片簧的受力虽然较复杂,但经实际分析,刮片的径向惯性力和循环载荷都较小,可以忽略不计,因此它承受的主要是静载荷｡在服役过程中的失效形式不是疲劳断裂,而是蠕变和应力松弛｡通过初步计算,刮片
6、簧的应力松弛值为2.27%,此时相应的蠕变行为引起时残余变形量只有0.005%,即松弛挛形为蠕变量的460倍｡所以,应力松弛(或松弛变形)是刮片弹簧失效的主要原因｡如选用一般弹簧钢(65Mn或50CrVA片材)制作,显然不合适｡区它们使用一段时间就严重变形,丧失弹性,使发动机性能急剧下降,甚至造成停机事故,再次启动十分困难,故这类材料不宜选用｡一般选用高温合金来制造,例如选用铁基的3J型或GH2132(A286)制造,因为这些合金在高温下的松弛抗力比通用弹簧钢好得多｡这几种合金以最佳热处理状态制造刮片弹簧,再在320℃和400℃下
7、保持150h后的挠度变化()及应力松弛率()见表8-5｡由该表中数据可知,在320℃下夹持150h后,3J-1片簧的挠度变化值为0.084mm,3J-3比3J-1好,是其81%,GH2I32(A286)合金者更好,是其51%｡如在400℃试验时,三种材料的挠度均相应减小,但更显出GH2132合金优于3J-3,以3J-1合金最差｡某厂用3J-1合金制成的上述尺寸的刮片簧在装车试验时失效｡失效的3J-1合金片簧由均匀弓形的一段变成近似平直,其余部分仍然完好｡平直的部分表面发黑｡在发黑(平直)部分､完好部位和介于两者之间的过渡部位分别取
8、样,进行金相组织观察｡结果是:完好部位仍为3J-1合金时效后组织;过渡部位已开始了局部再结晶,但仍只留了部分′相;而发黑部位几乎是全部再结晶,但其再结晶过程并未完成｡3J-1合金的再结晶开始温度在800℃左右,由金相组织分析表月,发黑部位的实际温度
