張仕朝， 李旭東， 于慧臣， 侯學(xué)勤

(1．中國(guó)航發(fā)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.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095； 3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

鎳基單晶高溫合金因其優(yōu)越的高溫抗疲勞和抗蠕變性能，已成為制造航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的重要材料。作為發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件，除了承受因高溫引起的蠕變損傷外，同時(shí)也會(huì)因承受發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停機(jī)產(chǎn)生的交變載荷及溫度變化而引起低周(low cycle fatigue)疲勞破壞。DD6是我國(guó)自主研制成功的低成本第二代單晶高溫合金，其主要性能已達(dá)到或部分超過(guò)國(guó)外廣泛應(yīng)用的第二代單晶合金的性能水平，且因其含錸量低而具有低成本優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景[1]。文獻(xiàn)[2]研究了熱等靜壓制度對(duì)DD6單晶顯微組織和力學(xué)性能的影響；文獻(xiàn)[3]研究了抽拉速率對(duì)DD6單晶高溫合金650 ℃低周疲勞性能的影響，李影等研究了取向[4]、拉伸保載[5]對(duì)DD6單晶高溫合金低周疲勞壽命的影響。研究者對(duì)單晶合金的壽命預(yù)測(cè)模型還進(jìn)行了探討[6-7]，但上述研究基本上是基于應(yīng)變比R=-1下的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，對(duì)R≠-1情況下的低周疲勞性能研究還很少。單晶渦輪葉片工作時(shí)主要承受非對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷[8]，基于此，本工作主要對(duì)DD6合金[001]取向在1 100 ℃，應(yīng)變比R=-1，0.05條件下的高溫低周疲勞性能進(jìn)行測(cè)試，在此基礎(chǔ)上對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)行為，應(yīng)變壽命關(guān)系等進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)材料及方法

在真空感應(yīng)定向凝固爐內(nèi)采用籽晶法制備[001]取向的DD6單晶試棒。按照標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝對(duì)晶體取向合格的DD6合金單晶試棒進(jìn)行熱處理，熱處理制度為：1290 ℃/1 h+1300 ℃/2 h+1315 ℃/4 h，空冷+1120 ℃/4 h，空冷+870 ℃/32 h，空冷。隨后加工成直徑為6 mm，標(biāo)距為12 mm的低周疲勞試樣；低周疲勞試驗(yàn)是在MTS809液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)用軸向應(yīng)變控制，引伸計(jì)標(biāo)距為12 mm，通過(guò)石英刀口與試樣表面接觸測(cè)試標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變，加載波形為三角波，應(yīng)變比R(εmin/εmax)=-1，0.05，試驗(yàn)溫度為1100 ℃，通過(guò)爐內(nèi)電阻絲輻射加熱試樣，由分布于標(biāo)距附近的熱電偶控制溫度的波動(dòng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由計(jì)算機(jī)完成，各個(gè)試驗(yàn)均進(jìn)行至試樣斷裂。試驗(yàn)方法參照GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》中規(guī)定執(zhí)行。

采用JSM5600LV掃描電鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

圖1和圖2分別為DD6合金1100 ℃應(yīng)變比為-1和0.05時(shí)的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線。由圖1可以看出，應(yīng)變幅為1.1%時(shí)，表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化，而后循環(huán)軟化的趨勢(shì)，應(yīng)變幅為0.9%和0.5%時(shí)，表現(xiàn)出輕微循環(huán)軟化的特征，應(yīng)變幅為0.35%和0.30%，表現(xiàn)出輕微循環(huán)硬化的特征。由圖2可以看出，應(yīng)變比為0.05時(shí)，在高應(yīng)變幅0.95%時(shí)，表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化，而后循環(huán)軟化的趨勢(shì)，在中間應(yīng)變幅0.618%和0.475%時(shí)，基本處于循環(huán)穩(wěn)定的狀態(tài)，應(yīng)變幅低于0.38%時(shí)，應(yīng)力反映為軟化-硬化-穩(wěn)定的特征。

對(duì)不同應(yīng)變比下應(yīng)力范圍-循環(huán)周次曲線的比較可以得到：材料的循環(huán)硬化/軟化特征不僅與應(yīng)變幅有關(guān)，還與加載狀態(tài)有關(guān)。應(yīng)變硬化現(xiàn)象與位錯(cuò)間相互作用有關(guān)，位錯(cuò)首先發(fā)生在γ相基體通道中，位錯(cuò)的增值使得位錯(cuò)之間、位錯(cuò)與析出強(qiáng)化相γ′之間發(fā)生不同程度的交互作用，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一定的障礙，因此應(yīng)力隨循環(huán)變形的增加需求不斷增大；由于疲勞變形時(shí)對(duì)應(yīng)的塑性分量很小，以至于位錯(cuò)增值速率與位錯(cuò)湮滅速率之間很容易達(dá)到平衡，使得位錯(cuò)增殖引起的硬化效應(yīng)與位錯(cuò)湮滅產(chǎn)生的軟化效應(yīng)彼此抵消，合金呈現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 R=-1時(shí)低周疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.1 Cyclic stress response curves of DD6 superalloy at R=-1

圖2 R=0.05時(shí)低周疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線Fig.2 Cyclic stress response curves of DD6 superalloy at R=0.05

2.2 拉壓不對(duì)稱(chēng)性

低周疲勞過(guò)程中的拉壓不對(duì)稱(chēng)性行為，是指在等應(yīng)變(應(yīng)變比R=-1)條件下拉伸載荷σt和壓縮載荷σc不相等，包括σt>σc和σt<σc兩種情況。鎳基單晶高溫合金在單向載荷下會(huì)表現(xiàn)出較復(fù)雜的反常屈服行為，比如隨著溫度的升高，屈服強(qiáng)度增加到某個(gè)峰值后急劇下降，抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度存在與取向有關(guān)的不對(duì)稱(chēng)性。圖3為DD6合金[001]取向1100 ℃應(yīng)變比為-1時(shí)不同總應(yīng)變幅下循環(huán)周次與各周次內(nèi)最大拉伸載荷σt及最大壓縮載荷σc之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖中每一種形狀符號(hào)代表一種總應(yīng)變幅，黑顏色代表最大拉伸載荷，紅顏色為最大壓縮載荷。由圖3可以看出，本實(shí)驗(yàn)條件下，最大拉伸載荷與最大壓縮載荷相對(duì)關(guān)系分以下幾種情況：應(yīng)變幅為0.5%時(shí)，兩種最大載荷基本為對(duì)稱(chēng)，應(yīng)變幅低于0.5%時(shí)即0.35%和0.30%，表現(xiàn)出拉伸載荷小于壓縮的情況，對(duì)于大的應(yīng)變幅1.1%和0.9%，總體表現(xiàn)出拉伸載荷大于壓縮的現(xiàn)象。σt>σc的現(xiàn)象可用LCP模型[9]來(lái)解釋?zhuān)撃Ｐ驼J(rèn)為應(yīng)力狀態(tài)影響位錯(cuò)在γ′相粒子中的運(yùn)動(dòng)方式，從而造成σt>σc的情況。Jiao等[10]提出了層錯(cuò)模型，認(rèn)為應(yīng)力狀態(tài)會(huì)影響層錯(cuò)在γ′相粒子中的形成過(guò)程和層錯(cuò)寬度，從而造成σt<σc的拉壓不對(duì)稱(chēng)行為。

圖3 1100 ℃應(yīng)力壽命曲線(R=-1)Fig.3 stress vs life curves of DD6 superalloy at R=-1

2.3 平均應(yīng)力松弛

在循環(huán)塑性變形時(shí)，如果平均應(yīng)變?yōu)檎?，則可能發(fā)生塑性安定(plastic shake-down)，循環(huán)變形時(shí)，平均應(yīng)力降低，甚至可能降到零，這種應(yīng)力松弛之所以可能發(fā)生，是因?yàn)榛钴S的循環(huán)滑移引起了位錯(cuò)重排[11]。圖4給出了1100 ℃下平均應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化曲線。由圖4可以看出，隨著循環(huán)周次的增加，平均應(yīng)力絕對(duì)值逐漸減小，直到接近于0；應(yīng)變幅越大，首循環(huán)的平均應(yīng)力越小，應(yīng)力松弛速率越大；應(yīng)變幅越小，首循環(huán)的平均應(yīng)力越大，應(yīng)力松弛速率越?。徽f(shuō)明DD6合金在應(yīng)變幅為0.2%～0.62%條件下存在塑性安定(plastic shake-down)現(xiàn)象。

圖4 DD6平均應(yīng)力壽命曲線(R=0.05)Fig.4 Mean stress vs life curves of DD6 superalloy at R=0.05

2.4 應(yīng)變壽命曲線

對(duì)于低周疲勞壽命預(yù)測(cè)主要通過(guò)將應(yīng)變范圍與疲勞壽命循環(huán)次數(shù)建立關(guān)系，典型的Manson-Coffin低周疲勞壽命預(yù)測(cè)模型為：

(1)

(2)

式中：a和b為待定參數(shù)。

文獻(xiàn)[8]中為了考慮非對(duì)稱(chēng)循環(huán)載荷對(duì)疲勞壽命的影響，引入應(yīng)力幅和最大應(yīng)力值的參量，表示如下：

(3)

文獻(xiàn)[14]在參考文獻(xiàn)[8,13]的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮應(yīng)變范圍、應(yīng)力范圍、最大應(yīng)力和應(yīng)變比的低周疲勞經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如下式所示?/p>

(4)

式中：σmax為最大應(yīng)力;Δσ為應(yīng)力范圍;Δε為應(yīng)變范圍;Rε為應(yīng)變比;N為疲勞循環(huán)數(shù);α和β為材料參數(shù)?？紤]不同取向的影響，模型中引入了晶體取向函數(shù)。

文獻(xiàn)[15]提出用晶向函數(shù)修正總應(yīng)變范圍，并考慮最大應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力范圍及峰值保載等載荷因素對(duì)壽命的貢獻(xiàn)，在循環(huán)累積損傷(cyclic damage accumulation， CDA)的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種低循環(huán)疲勞/蠕變壽命預(yù)測(cè)方法。

本研究采用SWT模型、CDA模型和文獻(xiàn)[13]提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)DD6合金1100 ℃不同應(yīng)變比下的低周疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5～圖7。數(shù)據(jù)點(diǎn)基本落在±2倍的分散帶內(nèi)，說(shuō)明修正的三種模型都能較好地表征DD6合金1100 ℃時(shí)不同應(yīng)變比下的低周疲勞壽命。

圖5 SWT模型壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.5 Comparison of life prediction by modified SWT model

圖6 CDA模型壽命預(yù)測(cè)結(jié)果Fig.6 Comparison of life prediction by modified CDA model

圖7 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪勖A(yù)測(cè)結(jié)果Fig.7 Comparison of life prediction by modified empirical model

工程上常用一種壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)能力來(lái)評(píng)定該模型的預(yù)測(cè)能力。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)能力可用分散帶(表明預(yù)測(cè)壽命和觀測(cè)壽命的偏離程度)2個(gè)統(tǒng)計(jì)量來(lái)表示。分散帶通常定義為預(yù)測(cè)壽命與觀測(cè)壽命的比值或觀測(cè)壽命與預(yù)測(cè)壽命的比值之中的最大值，即

Sb=max(Nob/Npre,Npre/Nob)

(5)

標(biāo)準(zhǔn)差則定義為：

(6)

式中:Nob為觀測(cè)壽命;Npre為預(yù)測(cè)壽命;n為數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。三種模型預(yù)測(cè)能力如表1所示。

由表1可以看出，CDA模型預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于其他兩個(gè)模型。

表1 壽命預(yù)測(cè)能力評(píng)估結(jié)果Table 1 Evaluation results of life prediction

2.5 疲勞斷裂特征

圖8為DD6合金應(yīng)變比R=-1時(shí)高應(yīng)變短壽命時(shí)疲勞斷口形貌。由圖8可以看出，斷口可分為3個(gè)區(qū)：裂紋源區(qū)(1區(qū))、擴(kuò)展區(qū)(2區(qū))和瞬斷區(qū)(3區(qū))，整個(gè)斷口呈青藍(lán)色；高應(yīng)變時(shí)，斷口為斜斷口，基本與加載方向呈45°方向，見(jiàn)圖8(a)；裂紋源區(qū)位于端邊表面，線源特征，見(jiàn)圖8(b)。裂紋快速擴(kuò)展區(qū)呈臺(tái)階狀特征，見(jiàn)圖8(c)；瞬斷區(qū)可見(jiàn)韌窩狀特征，見(jiàn)圖8(d)。

圖8 DD6合金1100 ℃應(yīng)變比R=-1時(shí)高應(yīng)變短壽命時(shí)斷口形貌特征(εmax=0.9%，Nf=170) (a)宏觀斷口;(b)源區(qū);(c)擴(kuò)展區(qū);(d)瞬斷區(qū)Fig.8 LCF fracture morphology of DD6 superalloy at 1100 ℃ (high strain R=-1，εmax=0.9%，Nf=170) (a)macromorphology;(b)origin zone;(c)crack propagation zone;(d)fracture zone

圖9為DD6合金應(yīng)變比R=-1時(shí)低應(yīng)變長(zhǎng)壽命時(shí)疲勞斷口形貌。由圖9可以看出，宏觀斷口與圖8相似，斷口可分為3個(gè)區(qū)：裂紋源區(qū)(1區(qū))、擴(kuò)展區(qū)(2區(qū))和瞬斷區(qū)(3區(qū))，整個(gè)斷口呈青藍(lán)色；低應(yīng)變時(shí)，斷口為平斷口，見(jiàn)圖9(a)；裂紋源區(qū)位于端邊表面，線源特征，見(jiàn)圖9(b)；裂紋快速擴(kuò)展區(qū)較平坦、可見(jiàn)斷裂棱線及沿碳化物開(kāi)裂的特征，見(jiàn)圖9(c)；瞬斷區(qū)較粗糙、可見(jiàn)韌窩狀特征，見(jiàn)圖9(d)。

3 結(jié)論

(1)材料的循環(huán)軟化/硬化行為不僅與材料本身的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與加載狀態(tài)有關(guān)。

圖9 DD6合金1100 ℃應(yīng)變比R=-1時(shí)低應(yīng)變長(zhǎng)壽命時(shí)斷口形貌特征(εmax=0.3%，Nf=13133) (a)宏觀斷口;(b)源區(qū);(c)擴(kuò)展區(qū);(d)瞬斷區(qū)Fig.9 LCF fracture morphology of DD6 superalloy at 1100 ℃ (low strain R=-1，εmax=0.3%，Nf=13133) (a)macromorphology;(b)origin zone;(c)crack propagation zone;(d)fracture zone

(2)R≠-1時(shí)，隨著循環(huán)周次的增加，平均應(yīng)力絕對(duì)值逐漸減小，直到接近于0；應(yīng)變幅越大，首循環(huán)的平均應(yīng)力越小，應(yīng)力松弛速率越大；應(yīng)變幅越小，首循環(huán)的平均應(yīng)力越大，應(yīng)力松弛速率越小；說(shuō)明DD6合金在該試驗(yàn)條件下存在塑性安定(plastic shake-down)現(xiàn)象。

(3)DD6合金[001]取向1100 ℃應(yīng)變比R=-1時(shí)存在拉壓不對(duì)稱(chēng)性。

(4)采用的三種模型均能對(duì)不同應(yīng)變比下的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)精度在±2倍的分散帶內(nèi)。

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