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- 航空发动机结构材料与工艺可靠性研究
- 作者： 刘肖 来源： 北京航空航天大学 年份： 2016 文献类型 ： 学位论文 关键词： 航空发动机 结构材料 体系框架 性能离散 质量控制
- 描述： 结构材料是航空发动机实现其功能的根本，随着对航空发动机高可靠长寿命要求的提高，其关键结构的材料与工艺可靠性也越来越重要。本文在对航空发动机典型失效案例的深入系统分析的基础上，对其材料与工艺可靠性进行了研究，给出了航空发动机结构材料与工艺的基本体系框架。通过对发动机制造厂、所的实地调研与文献分析，重点对体系中的性能离散行为与原材料质量控制进行了研究，采用数理统计与实验分析相结合的方法对材料的性能离散行为进行了表征与分析，对其离散原因进行了探讨；并指出了原材料质量控制的关键所在。针对国内外近年来的106起航空发动机故障案例，对其失效的基本信息、失效模式、失效机理、失效原因等进行了统计分析，研究了失效原因中涉及材料与工艺的相关因素，在此基础上建立了航空发动机结构材料与工艺可靠性的基本体系框架，主要从离散性、相容性与适应性三方面开展研究，包括材料性能离散表征与分析、结构件的形位离散表征与分析、原材料的质量控制、材料、结构与工艺的相容性、表面完整性、材料与环境的适应性、材料适用性等七个方面，并分别阐述了框架各部分的研究意义、内涵与研究内容，探讨了开展相关研究的基本方法。统计表征了7050铝合金、9310钢、LY12铝合金、16Cr3NiWMoVNbE钢及定向凝固DZ4合金五种航空常用结构材料的成分与性能复验数据，并对其稳定性、安全性与可靠性进行了分析。结果表明，定向凝固DZ4合金的抗拉强度符合正态分布，其伸长率和断面收缩率经倒数变换后符合正态分布，其余四种材料的抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率均符合正态分布。进口7050铝合金与几种国产结构材料具有较好的稳定性，而新材料DZ4合金的变异系数接近甚至大于20，稳定性较差；进口7050铝合金材料呈现愈来愈稳定的趋势，而LY12铝合金、DZ4合金及几种钢材的稳定性逐年降低；国产常用钢材的成分稳定性相比其性能稳定性较好。此外，五种材料的力学性能极有可能低于标准规定的最小值，具有一定的不安全因素。五种材料中约有50%的材料性能包罗范围低于99.73%，说明这几种材料的可靠性有待提高。通过对国产与进口7050-T7451铝合金的成分、显微组织、拉伸性能及断口进行观察分析发现，两者成分差异较小，由成分导致两者性能离散程度不同的可能性不大。与进口7050-T7451铝合金相比，国产材料组织均匀性较差，再结晶程度、晶粒尺寸与各向异性程度均较大，材料表层至中心组织过渡也较不平缓，断口组织中韧窝等韧性特征相对较少，虽然强度较高，但伸长率与断面收缩率等较低，在一定程度上反映出国产材料在加工工艺尤其是热处理工艺上尚有不足。原材料的质量控制包括原材料的质量审核、原材料的出厂检验、原材料的复验、理化检测、无损检测以及原材料的出入库管理等。结合原材料的审核与复验过程，对其控制内容及控制方法进行了重点分析。对原材料在冶炼中易出现的缺陷进行了归纳与分析，给出了典型缺陷的主要形貌特征、原因与控制方法。