楊冬野，曹福洋，許文勇，左 欣，李 周，張國(guó)慶，孫劍飛

（1哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001；2哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金屬精密熱加工國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001；3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）

GH738合金（Waspaloy）是一種γ＇相沉淀強(qiáng)化的鎳基高溫合金，具有良好的高溫綜合性能，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪盤等零部件材料，廣泛應(yīng)用于航天、航空等領(lǐng)域[1，2］。噴射成形GH738合金凝固過程具有快速凝固的優(yōu)點(diǎn)，組織細(xì)化、無宏觀偏析等組織特征，其力學(xué)性能明顯提高[3，4］。國(guó)外對(duì) Waspaloy合金疲勞行為開展過研究工作，但鮮有噴射成形 Waspaloy合金疲勞特性的報(bào)道[5］。國(guó)內(nèi)在鎳基高溫合金疲勞行為開展了較為系統(tǒng)的研究[6］，對(duì)噴射成形GH738合金高溫低周疲勞特性進(jìn)行了部分研究工作[7，8］，但對(duì)合金的高溫疲勞裂紋擴(kuò)展行為研究很少。本工作對(duì)所制備的噴射成形GH738合金的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了研究，系統(tǒng)分析不同溫度、頻率和應(yīng)力比等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)噴射成形GH738合金緊湊拉伸（CT）試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展速率及擴(kuò)展行為的影響規(guī)律，為其推廣應(yīng)用及其壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 材料及試樣

本研究選用鎳基GH738合金，合金成分見表1。GH738合金經(jīng)重熔后噴射成形，主要工藝參數(shù)：采用氮?dú)庾鳛殪F化介質(zhì)，霧化壓力為1.0MPa，沉積距離為450mm。隨后對(duì)沉積坯錠進(jìn)行熱等靜壓、環(huán)軋和熱處理，熱等靜壓工藝為1150℃／4h／150MPa，熱處理工藝為：固溶1080℃×4h，AC，時(shí)效840℃×24h，AC，760℃×16h，AC，得到直徑約600mm的環(huán)形件。在環(huán)件上制取標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸（CT）試樣，預(yù)制2mm裂紋（尺寸見圖1）。

表1 GH738合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical compositions of GH738alloy（mass fraction／%）

圖1 標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸（CT）試樣Fig.1 Standard compact tension（CT）specimen

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與條件

實(shí)驗(yàn)采用載荷控制方式，在空氣環(huán)境中進(jìn)行，載荷波形為正弦波。實(shí)驗(yàn)在 MTS370－25kN上進(jìn)行，采用電阻爐加熱方式，裂紋檢測(cè)采用顯微鏡目測(cè)法，為單側(cè)測(cè)試，測(cè)量精度0.01mm。按照HB 7680－2000《金屬材料高溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試，研究試樣在不同溫度、頻率和應(yīng)力比R條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為，具體測(cè)試條件見表2。疲勞斷裂后的微觀形貌在S－5700掃描電子顯微鏡上進(jìn)行。

表2 實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Test conditions

1.3 數(shù)據(jù)處理方式

數(shù)據(jù)處理采用割線法，即在a－N 曲線上，按式（1）計(jì)算連接相鄰兩點(diǎn)的直線斜率。

式中：a為 裂紋長(zhǎng)度，mm；a為平均裂紋長(zhǎng)度，mm；N為循環(huán)周次，cycle；da／dN 為裂紋擴(kuò)展速率，mm／cycle。da／dN 是ai＋1－ai線段上的平均速率，故用平均裂紋長(zhǎng)度來計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK，平均裂紋長(zhǎng)度按式（2）計(jì)算。

ΔK按式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，MPa·m1／2；ΔP為載荷范圍，kN；B為試樣厚度，mm；W 為試樣寬度，mm；α＝a／W，對(duì)于a／W 大于或等于0.2，表達(dá)式有效。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2為噴射成形GH738合金CT試樣在不同溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為?？梢钥闯?，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著溫度的升高略有加快，隨著強(qiáng)度因子ΔK的增加，裂紋擴(kuò)展速率da／dN趨于一致。

圖2 不同溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為Fig.2 Fatigue crack growth behavior at different temperatures

裂紋擴(kuò)展速率與高溫時(shí)材料強(qiáng)度和裂紋表面氧化等有關(guān)。在高溫條件下，疲勞裂紋易于在晶界形核，相鄰晶粒間熱收縮不匹配或應(yīng)變不協(xié)調(diào)會(huì)在晶界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋形成。一般條件下，材料的耐久極限隨溫度的降低而增大，短壽命疲勞阻力也隨溫度的降低而降低[9］。力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示GH738合金的拉伸性能隨著溫度的升高而下降[3］。另外，GH738合金高溫情況下的氧化加重，也會(huì)造成裂紋擴(kuò)展速率加快[10－12］。

材料在不同溫度下的疲勞行為可以用Paris公式定量描述，具體公式如下：

式中，C和m為材料參數(shù)。對(duì)式（4）兩邊分別取對(duì)數(shù)，可以得到：

由式（5）可見，裂紋擴(kuò)展速率da／dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系，應(yīng)用式（5）對(duì)不同溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程如表3所示。

表3 不同溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率Table 3 Fatigue crack growth rate at different temperatures

對(duì)噴射成形GH738合金在550℃時(shí)不同頻率下的da／dN－ΔK的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為Fig.3 Fatigue crack growth behavior under different loading frequency

由圖3可以看出，頻率在較低條件下對(duì)da／dN影響較小，0.1Hz和0.5Hz相同ΔK頻率下裂紋擴(kuò)展速率基本相當(dāng)，頻率為10Hz時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率比0.1Hz和0.5Hz時(shí)有較明顯降低。高頻載荷與低頻載荷相比，可以引起材料的高密度滑移，所以裂紋尖端塑性區(qū)較小，有效屈服應(yīng)力較高，較低的載荷頻率有助于滑移更廣泛的分布，裂紋尖端塑性區(qū)大，有效屈服應(yīng)力較低。在載荷作用下，較低的有效屈服應(yīng)力易于裂紋擴(kuò)展，所以低頻時(shí)裂紋擴(kuò)展速率較大[13，14］。

應(yīng)用Pairs公式對(duì)不同頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到回歸方程如表4所示。

表4 不同頻率下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率Table 4 Fatigue crack growth rate under different loading frequency

圖4為550℃時(shí)噴射成形GH738合金裂紋擴(kuò)展速率da／dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK之間的關(guān)系。可見，裂紋擴(kuò)展速率da／dN隨應(yīng)力比R的增大而增大。試驗(yàn)過程中應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展的裂紋尖端的產(chǎn)生一定的塑性變形。在前一次加載時(shí)，試樣承受拉伸載荷，但低于材料的屈服強(qiáng)度，而裂紋尖端由于應(yīng)力集中的作用，已達(dá)到屈服進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，當(dāng)循環(huán)載荷從名義應(yīng)力幅卸載到零時(shí)，試樣接近恢復(fù)狀態(tài)，而裂紋尖端由于加載時(shí)進(jìn)入屈服，產(chǎn)生了不可逆拉伸殘余變形。但是，在整個(gè)試樣彈性恢復(fù)力的作用下，迫使這個(gè)局部塑性區(qū)恢復(fù)原狀，從而使裂紋尖端材料從卸載初期尚有少量的殘余拉應(yīng)變而隨著卸載過程的繼續(xù)，逐步過渡進(jìn)入壓縮狀態(tài)。當(dāng)整體的彈性恢復(fù)力達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)使壓縮變形進(jìn)入屈服，結(jié)果使裂紋尖端產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，促使本來已張開的裂紋閉合。當(dāng)?shù)诙€(gè)拉伸循環(huán)開始時(shí)，裂紋尖端的拉應(yīng)力首先必須克服第一循環(huán)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，然后才使裂紋繼續(xù)張開并向前擴(kuò)展。應(yīng)力比R越大，產(chǎn)生的塑性變形越小，所需克服的殘余應(yīng)力越小，裂紋尖端的有效應(yīng)力強(qiáng)度越大，裂紋擴(kuò)展速率越大[15，16］。

圖4 不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展行為Fig.4 Fatigue crack growth behavior under different Rratios

對(duì)應(yīng)力比為0.1，0.3，0.5條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得裂紋擴(kuò)展方程如表5所示。

表5 不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率Table 5 Fatigue crack growth rate under different Rratios

圖5為噴射成形GH738合金高溫疲勞裂紋擴(kuò)展過程的典型斷口形貌。從圖5（a）中可見裂紋呈現(xiàn)多裂紋源特征，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展過程中存在明顯規(guī)則的疲勞條帶，并且存在明顯的二次疲勞裂紋，如圖5（b）所示，沿CT試樣裂紋擴(kuò)展方向，疲勞條帶的間距不斷增大，疲勞條帶的間距與裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)（當(dāng)疲勞條帶方向與CT試樣裂紋擴(kuò)展方向存在夾角時(shí)需修正），圖5（c）顯示裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶成塊大面積分布，疲勞條帶見有一定的方向差異。圖5（d）為疲勞裂紋擴(kuò)展后期，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的增加，斷口上出現(xiàn)韌窩形貌，韌窩中碳化物顆粒清晰可見。斷口表面由于氧化作用存在一層氧化物，高溫疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，溫度越高，氧化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖5 疲勞裂紋擴(kuò)展SEM微觀斷口 （a）裂紋起源；（b）疲勞條帶；（c）裂紋擴(kuò)展區(qū)；（d）瞬斷區(qū)Fig.5 SEM micrographs of fracture surface （a）initiation of fatigue cracks；（b）fatigue striations；（c）crack propagation zone；（d）rapid fracture zone

3 結(jié)論

（1）隨著溫度的升高，噴射成形GH738合金強(qiáng)度下降，裂紋表面氧化程度加劇，造成裂紋擴(kuò)展速率略有加快。

（2）低頻載荷作用時(shí)裂紋尖端塑性區(qū)較大，有效屈服應(yīng)力較低，裂紋擴(kuò)展速率較大。0.1Hz和0.5Hz頻率下裂紋擴(kuò)展速率基本相當(dāng)，頻率為10Hz時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率比0.1Hz和0.5Hz時(shí)有較明顯降低。

（3）由于“裂紋閉合效應(yīng)”，應(yīng)力比R越大，產(chǎn)生的塑性變形越小，所需克服的殘余應(yīng)力越小，裂紋尖端的有效應(yīng)力強(qiáng)度越大，裂紋擴(kuò)展速率越大。

（4）疲勞斷口呈現(xiàn)典型多裂紋源和疲勞條帶特征，斷口表面存在明顯的氧化現(xiàn)象，溫度越高，氧化越嚴(yán)重，裂紋擴(kuò)展速率越快。

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