GH4169高温合金螺栓高温疲劳载荷理论值的选择研究

张盼霖

（中国航空综合技术研究所，北京 100020）

GH4169合金为国产镍基高温合金，其成分和性能与美国INCO Huntington Alloys公司开发的Inconel 718合金类似[1-2]，具有高温耐腐蚀、高温抗氧化和高温抗疲劳抗蠕变等优良性能，特别是在650℃高温下仍具有较高的强度和韧性，因此广泛应用于涡轮盘、压气机轴、压气机叶片等航空航天发动机系统关键部位[3-4]。由于航空发动机结构件服役环境恶劣，长期在高温环境下承受交变载荷作用，因此高温疲劳性能是GH4169合金最重要的力学性能之一。

螺栓是最基础的外螺纹紧固件之一，常与螺母配合使用，大量应用于航空航天飞行器的安装结构，其性能直接影响飞行器连接的可靠性。目前，针对GH4169合金螺栓疲劳性能的研究和相关标准较多，但大多只涉及室温疲劳和最高使用温度（650℃）的疲劳性能，对合金中间使用温度的疲劳性能缺少试验数据和理论研究。GH4169合金因沉淀相和基体共格畸变较大而导致在-253～650℃这一很大温度范围内都具有很高的组织稳定性和性能稳定性[5]，研究不同温度下GH4169合金螺栓的疲劳性能和疲劳载荷理论值的选择具有很大的工程应用意义，并为GH4169合金螺栓的进一步研究发展和试验验证提供理论基础。

1 不同温度下GH4169合金螺栓的拉伸性能

选择3种不同规格的典型GH4169合金螺栓进行拉伸试验，螺栓标准规格号分别为Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25，试验温度分别为常温（25℃）、300℃、500℃、650℃等典型温度，试验结果见表1～表3。由试验数据可知，GH4169合金螺栓在650℃的高温下抗拉强度约为常温抗拉强度的82%～87%，具有较为良好的高温稳定性。

表1 螺栓Q/JL 1S 218-8×1的强度

表3 螺栓Q/JL 1S 218-12×1.25的强度

根据《GH4169（抗疲劳）螺栓螺钉通用规范》[6]，计算可得，螺栓Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25的螺纹应力面积分别为38.77 mm2、60.57 mm2、91.31 mm2，由此可以获得3种螺栓的抗拉力数值，如图1所示。

图1 GH4169合金螺栓的抗拉载荷

2 不同温度下GH4169合金螺栓疲劳试验理论值的选择

根据《GH4169（抗疲劳）螺栓螺钉通用规范》，GH4169合金螺栓常温疲劳试验的疲劳高载理论值为相应抗拉力理论值的54%，疲劳低载为疲劳高载的1/10，见表4。合格判据为螺栓疲劳寿命的平均值不低于65 000次，单件螺栓疲劳寿命不能低于45 000次，单件螺栓疲劳寿命高于130 000次，按130 000次计算平均值，疲劳频率不应有较大波动且不超过140 Hz。

表2 螺栓Q/JL 1S 218-10×1.25的强度

表4 螺栓常温疲劳载荷理论值 单位：kN

根据《GH4169（抗应力断裂）螺栓螺钉通用规范》可知GH4169合金螺栓650℃的高温拉伸理论值[7]，根据上文中疲劳高载理论值为相对应抗拉力理论值的54%的原则，计算可得合金疲劳载荷理论值，见表5。

表5 螺栓650℃疲劳载荷理论值 单位：kN

根据相关文献研究和试验数据总结，不同温度下GH4169合金螺栓疲劳试验理论值的选择有两种途径，即根据抗拉强度选择疲劳载荷理论值和根据温度梯度选择疲劳载荷理论值。

高温合金螺栓的疲劳性能和抗拉性能密切相关，大量文献及相关标准规范都将抗拉力理论值和疲劳载荷理论值设置为一定的比例关系（大多为50%）。因此，可以根据抗拉强度选择疲劳载荷理论值。首先，通过将常温下螺栓的拉伸强度理论值（Ft）和实际值（Fr）相除得到一个理论值与实际值的比例系数α，如公式（1）所示：

然后，根据上文中测得的300℃、500℃时的抗拉强度的实际值和比例系数α，计算可得300℃、500℃时抗拉强度的理论值。最后，根据疲劳高载理论值为相应抗拉力理论值的54%的原则计算可得相应理论值，见表6。由表6可知，此方法所确定的疲劳载荷理论值过于集中，不同温度间疲劳载荷理论值相差较小，特别是Q/JL 1S 218-8×1螺栓300℃、500℃的疲劳载荷理论值仅相差0.27 kN，难以对螺栓不同温度的疲劳性能进行全面评估和验证。

根据表6选定的疲劳载荷进行试验，试验结果见表7。由表7可知，随着温度的升高，3种螺栓的疲劳寿命降低，特别是650℃时，螺栓疲劳寿命明显下降并出现部分不合格试样。根据吴楠、张显程等人[8]的研究，GH4169高温合金在高温条件下疲劳性能下降较快和试验环境中的空气有很大关系，GH4169合金长时间暴露在高温环境中进行高频率疲劳试验，相比于抗拉试验更容易发生氧化现象降低合金性能。氧气与合金材料晶界处的成分相结合，导致晶界脆化和裂纹萌生，并可沿晶界进入裂纹尖端，进一步拓宽裂纹扩展通道，从而加速裂纹扩展并最终导致合金由高能的穿晶断裂模式逐步转变为低能的沿晶断裂模式，降低合金疲劳性能。除此之外，高温环境下合金材料的蠕变裂纹扩展也是螺栓高温疲劳性能大幅下降的原因之一[9-11]。根据抗拉强度选择疲劳载荷理论值忽略了环境氧化因素和蠕变因素等对螺栓高温疲劳性能的影响。

表6 根据抗拉强度确定的疲劳载荷理论值

表7 根据表6进行疲劳试验的试验结果（×100）

根据何玉怀等人[12]的理论研究和试验结果，GH4169高温合金的疲劳性能与温度近似呈线性关系，因此可以根据温度梯度选择疲劳载荷理论值。根据常温疲劳载荷理论值和650℃的疲劳载荷理论值，计算得到的相应理论值，见表8。

根据表8选定的疲劳载荷进行试验，试验结果见表9。由表9可知，GH4169高温合金螺栓在高温下的寿命下降较小，相比于根据抗拉强度选择疲劳载荷理论值，此方法所确定的疲劳载荷理论值参考了环境氧化因素和蠕变因素对螺栓高温疲劳性能的影响，较为符合实际试验情况，且疲劳载荷理论值的数值较为分散，可以更有效地对高温合金螺栓高温疲劳性能进行评估和验证。

表8 根据温度梯度确定的疲劳载荷理论值

表9 根据表8进行疲劳试验的试验结果（×100）

3 结束语

本文根据相关文献和标准规范，对Q/JL 1S 218-8×1、Q/JL 1S 218-10×1.25、Q/JL 1S 218-12×1.25 3种高温合金螺栓在25℃、300℃、500℃、650℃等4个温度下进行了拉伸试验和疲劳试验。针对高温合金在高温疲劳试验中缺少疲劳载荷理论值的情况，提出了根据抗拉强度选择疲劳载荷理论值和根据温度梯度选择疲劳载荷理论值2种方法，并逐一进行了理论分析和试验验证。考虑到环境氧化因素和蠕变因素对螺栓高温疲劳性能的影响，根据温度梯度选择疲劳载荷理论值的方法可以更有效地对高温合金螺栓高温疲劳性能进行评估和验证。