張麗輝，胡春燕，劉德林，肖程波

(1.北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095;2.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京100095)

0 引言

定向凝固和單晶高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，已廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片［1-3］。DZ125合金是我國目前性能水平高的定向凝固鎳基鑄造高溫合金之一，具有良好的中、高溫綜合性能及優(yōu)異的熱疲勞性能。合金中Ti的含量較低，含有1.5%Hf，使合金具有良好的鑄造性能，可鑄成壁厚小至0.6 mm的帶有復(fù)雜內(nèi)腔的無余量定向凝固葉片，該材料葉片在我國先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已得到廣泛應(yīng)用［1，4］。

DZ125合金發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在高溫燃?xì)猸h(huán)境下承受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，葉片出現(xiàn)裂紋或斷裂故障不可避免［5］。由于斷裂特征保留了整個(gè)斷裂過程的所有痕跡，反映出試件的受力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)等眾多信息，并且，斷裂特征的宏微觀形貌與特定的斷裂機(jī)理相關(guān);因此，斷裂特征分析是研究材料斷裂過程和斷裂失效原因的重要方法［6］。定向凝固高溫合金理論上沿［001］晶體方向生長(zhǎng)，加之鎳基高溫合金為面心立方材料的特性，其拉伸、疲勞和疲勞/蠕變等斷裂特征與普通鑄造高溫合金差異較大。目前，對(duì)DZ125合金在不同條件下的斷裂特征進(jìn)行綜合比較方面的研究較少［7-9］。

本研究對(duì)DZ125定向凝固高溫合金的室、高溫拉伸，高溫低周、高周疲勞，以及疲勞/蠕變交互斷裂特征進(jìn)行觀察與總結(jié)，并結(jié)合斷裂特征及其規(guī)律，探討不同條件下的斷裂機(jī)制。

1 試驗(yàn)方法

DZ125合金材料的熱處理工藝為:1 180℃/2 h+1 230℃/3 h，空冷 +1 100℃/4 h，空冷 +870℃ /20 h，空冷。

拉伸試驗(yàn)采用應(yīng)變控制，應(yīng)變速率為ε=1×10－4，溫度分別為室溫、650 ℃、850 ℃;低周、高周疲勞試驗(yàn)均采用軸向拉伸疲勞方式，低周疲勞試驗(yàn)溫度為 980℃，應(yīng)變幅分別為 ±0.35%、±0.60%、±1.00%;高周疲勞試驗(yàn)溫度為 650℃，加載應(yīng)力最大分別為400、560、700 MPa;疲勞蠕變交互試驗(yàn)溫度為 980℃，應(yīng)變幅分別為±0.35%、±0.60%、±1.00%，在應(yīng)變幅下最大/最小應(yīng)變保載時(shí)間為60/0 s。

采用JSM5600LV掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行宏、微觀觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 拉伸斷裂特征

圖1給出了DZ125合金在室溫、650℃、850℃條件下的拉伸斷裂宏微觀特征。室溫下斷口呈深灰色，斷面與應(yīng)力方向垂直，斷口平坦、粗糙，幾乎沒有剪切唇，斷口處試樣的宏觀塑性變形特征不明顯，呈脆性斷裂特征(圖1a)。650、850℃下斷口呈灰褐色，斷口高差較大，呈杯錐狀特征，中間為纖維狀，面積較小，四周為與主應(yīng)力方向呈45°左右的剪切唇(圖1b和圖1c)。

微觀特征表明，室溫?cái)嗫诤透邷財(cái)嗫谥胁繀^(qū)域均為類解理小平面、等軸韌窩以及較多地沿枝晶斷裂的混合特征(圖1d和圖1e)。高溫?cái)嗫谶吘墑t為沿特定晶體學(xué)平面開裂的剪切唇，平面上有淺細(xì)的拉長(zhǎng)韌窩(圖1f)。可見，DZ125合金室溫和高溫條件下，合金斷裂首先從心部以微孔聚集型斷裂模式形核并且微孔逐漸連接。在室溫條件下，由于材料塑性較差，脆性斷裂特征顯著，使得剪切唇特征不明顯;在高溫條件下，材料塑性相對(duì)較好，當(dāng)拉伸至一定階段，試樣受力狀態(tài)發(fā)生改變，由平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)力狀態(tài)，使得合金形成剪切型斷裂模式。由于鎳基定向凝固高溫合金材料自身特性，其剪切型斷裂沿著特定的晶體學(xué)平面進(jìn)行，試樣邊緣是沿{111}滑移面開裂。

2.2 疲勞斷裂特征

1)低周疲勞。

低周疲勞試驗(yàn)應(yīng)變幅分別為 ±0.35%、±0.60%、±1.00% 時(shí)，疲勞循環(huán)周次分別為9980、690、196。

3種應(yīng)變條件下的低周疲勞斷口宏觀特征基本相同，斷口整體呈灰綠色，源區(qū)顏色較淺，呈灰色。斷口上均存在疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3個(gè)明顯的特征區(qū)，基本與加載應(yīng)力方向垂直;斷口宏觀呈現(xiàn)起源于試樣表面的多源開裂特征;隨著疲勞應(yīng)變逐漸增大，擴(kuò)展區(qū)面積逐漸減小，從占斷口面積的90%減小至10%(圖2)。

斷口微觀觀察表明，以疲勞源區(qū)為中心的放射棱線較明顯(圖3a)，在與主應(yīng)力垂直的疲勞區(qū)表面氧化較重，但仍然清晰顯示出疲勞條帶(圖3b)，疲勞條帶間距較大，在3 μm左右。瞬斷區(qū)斷口特征與拉伸斷裂斷口特征類似。

2)高周疲勞。

高周疲勞試驗(yàn)加載最大應(yīng)力分別為400、560、700 MPa時(shí)，疲勞循環(huán)周次分別為 4.20×106、2.15 ×105、5.50 ×104。

圖4、圖5分別給出不同應(yīng)力條件下的高周疲勞斷口宏觀微觀特征。高周疲勞斷口也由3個(gè)區(qū)域組成，疲勞擴(kuò)展區(qū)呈藍(lán)色，瞬斷區(qū)呈黑褐色。疲勞裂紋起源于表面，為單疲勞源特征，疲勞源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)宏觀上主要表現(xiàn)為與應(yīng)力軸呈45°左右的光滑晶體學(xué)平面特征，在不同加載應(yīng)力下平面面積大小不一。

微觀特征上，疲勞源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)平面上可見裂紋擴(kuò)展形成的河流狀花樣(圖5a)，該花樣是由于相互平等但又處于不同高度的裂紋交匯形成的臺(tái)階不斷相互匯合而成。在擴(kuò)展區(qū)除可見疲勞條帶外，還存在較多的由平行鋸齒狀或臺(tái)階狀斷裂特征(圖5b)。

對(duì)比DZ125合金低周和高周疲勞斷裂特征，兩者存在較大的差異。分析認(rèn)為，造成疲勞斷裂特征不同主要與材料特性、力學(xué)狀態(tài)等因素有關(guān)［10］。對(duì)于低周疲勞，由于加載應(yīng)力較大，使得與應(yīng)力軸成一定角度的疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段很短，斷裂主要受到正應(yīng)力的作用，整個(gè)斷口基本表現(xiàn)為與應(yīng)力軸垂直的斷裂特征。而高周疲勞由于加載應(yīng)力較小，疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段較為充分，疲勞裂紋在交變應(yīng)力作用下沿滑移帶的主滑移面向金屬內(nèi)部擴(kuò)展，此時(shí)滑移面的取向與應(yīng)力軸大致呈45°左右，此時(shí)裂紋擴(kuò)展主要受到切應(yīng)力作用。由于DZ125合金為面心立方材料的鎳基高溫合金，并且為定向凝固合金，高周疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段發(fā)展的特別充分，因此通常表現(xiàn)為類解理小平面和平行鋸齒狀斷裂特征［11］。類解理小平面是裂紋沿著晶粒內(nèi)的{111}滑移面擴(kuò)展，當(dāng)其與晶界相遇時(shí)，改變方向，顯示出平臺(tái)、光滑和反光能力強(qiáng)等特點(diǎn)。而平行鋸齒狀斷裂特征則是疲勞裂紋沿相互不平行的{111}滑移面擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展的方向平行于兩組{111}滑移面的交線，即＜110＞方向所形成。

圖1 DZ125合金拉伸斷裂特征Fig.1 Tensile fracture features of DZ125 superalloy

圖2 DZ125合金高溫低周疲勞斷裂宏觀特征Fig.2 Macrostructure of the fractures under high-temperature low-cycle fatigue

圖3 DZ125合金高溫低周疲勞斷裂微觀特征Fig.3 Microstructure of the fractures under high-temperature low-cycle fatigue

圖4 DZ125合金高溫高周疲勞斷裂宏觀特征Fig.4 Macrostructure of the fractures under high-temperature high-cycle fatigue

圖5 DZ125合金高溫高周疲勞斷裂微觀特征Fig.5 Microstructure of the fractures under high-temperature high-cycle fatigue

2.3 疲勞/蠕變斷裂特征

疲勞/蠕變?cè)囼?yàn)應(yīng)變幅分別為 ±0.35%、±0.60%、±1.00%，在應(yīng)變幅下最大/最小應(yīng)變保載時(shí)間為60/0 s時(shí)的疲勞循環(huán)周次分別為3752、377和61，與相同應(yīng)變條件下的低周疲勞相比，疲勞壽命大幅下降。

圖6給出了3種應(yīng)變條件疲勞/蠕變交互作用下的斷口宏觀特征，總體上與低周疲勞斷口相似，但主要存在以下幾方面的差異:1)疲勞擴(kuò)展區(qū)面積相對(duì)相同條件下的低周疲勞斷口明顯減小;2)斷口上的撕裂棱線較多，并且相互連接;3)斷口上氧化嚴(yán)重，特別是在擴(kuò)展區(qū)，存在明顯的致密氧化層(圖7)。

圖6 DZ125合金低周/蠕變斷裂宏觀特征Fig.6 Macrostructures of the fractures under high-temperature low-cycle fatigue/creep interaction

圖7 DZ125合金低周/蠕變斷裂微觀特征Fig.7 Microstructures of the fracture under high-temperature low-cycle fatigue/creep interaction

3 結(jié)論

1)DZ125合金室溫、高溫拉伸斷口具有類解理斷裂、韌窩斷裂和沿枝晶斷裂的混合特征，斷裂機(jī)制為中心微孔聚集型斷裂。

2)DZ125合金高溫低周疲勞斷裂為多疲勞源，斷口與主應(yīng)力方向垂直。高溫高周疲勞斷裂為單疲勞源，斷口疲勞疲勞裂紋擴(kuò)展第一階段表現(xiàn)為類解理小平面和平行鋸齒狀斷裂特征。

3)DZ125合金低周/蠕變交互斷裂特征與相同條件下低周疲勞斷口主要存在3個(gè)方面的差異:疲勞擴(kuò)展區(qū)面積明顯減小;斷口上的撕裂棱線較多，并且相互連接;斷口上氧化嚴(yán)重，特別是在疲勞擴(kuò)展區(qū)，存在明顯的致密氧化層。

［1］陳榮章，王羅寶，李建華.鑄造高溫合金發(fā)展的回顧與展望［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2000，20(1):55 －61.

［2］張兵，姜濤，陶春虎.定向凝固和單晶高溫合金的再結(jié)晶研究［J］.失效分析與預(yù)防，2011，6(1):56 －64.

［3］張兵，何玉懷，韓梅，等.單晶高溫合金渦輪葉片榫齒裂紋原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2010，5(1):60－64.

［4］陳榮章，佘力，張宏煒，等.DZ125定向凝固高溫合金的研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2000，20(4):14 －19.

［5］陶春虎，顏鳴皋，張衛(wèi)方，等.定向凝固和單晶葉片的損傷與預(yù)防［J］.材料工程，2003(增刊):15－20.

［6］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:45－60.

［7］劉昌奎，張兵，陶春虎，等.DZ125定向凝固合金的再結(jié)晶行為研究［J］.失效分析與預(yù)防，2009，4(3):129－132.

［8］溫順達(dá)，陳立強(qiáng)，宮聲凱，等.高溫拉壓環(huán)境下DZ125高溫合金的熱障涂層失效［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36(6):1012－1015.

［9］劉金龍，楊曉光，石多奇，等.不同保載時(shí)間作用下的定向凝固合金DZ125的高溫低循環(huán)疲勞試驗(yàn)研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，2010，30(5):88 －92.

［10］劉昌奎，楊勝，何玉懷，等.單晶高溫合金斷裂特征［J］.失效分析與預(yù)防，2010，5(4):225 －230.

［11］陶春虎，趙愛國，王理，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用材料斷裂分析及斷口圖譜［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:451－472.