張志金，張明岐

（ 中國航空制造技術研究院，北京 100024 ）

渦輪葉片在服役過程中，燃氣動力引起的葉片振動不可避免，循環(huán)次數(shù)超過10 000，葉片將產(chǎn)生高周疲勞[1]。 渦輪葉片上一般分布大量的氣膜冷卻孔，氣膜孔的存在將會改變渦輪葉片的固有頻率與模態(tài)[2-6]。 在小孔徑和密布排列導致的多孔干涉效應作用下，氣膜孔局部區(qū)域成為葉片失效斷裂的多發(fā)部位。 因此，開展單晶材料帶氣膜孔壽命強度評估對發(fā)動機葉片工程應用具有重要意義。

目前， 葉片氣膜冷卻孔制孔工藝主要有電液束、激光與電火花三種[7-8]。 其中，電液束是一種冷加工技術，加工的小孔具有無再鑄層、無微裂紋、無熱影響區(qū)的“三無”特點，也是目前單晶葉片氣膜冷卻孔主要采用的加工技術[9]；激光制孔和電火花制孔工藝都屬于熱加工工藝，小孔表面存在不同程度的再鑄層和微裂紋。

近年來，制孔工藝對制孔質(zhì)量及性能的影響越來越受研究人員的重視， 也取得了一些研究成果。劉新靈等[10]梳理了目前葉片氣膜冷卻孔制造的主流工藝，重點分析了納秒激光和電火花兩種制孔工藝對相關結構疲勞性能的影響。 艾興等[11]對比了毫秒激光、納秒激光、皮秒激光制孔工藝的差別，通過觀測激光制孔圓度和錐度， 對制孔工藝作出評價。Kliuev 等[12]研究了電火花工藝對Inconel 718 合金渦輪葉片氣膜孔的影響，分析了影響電火花制孔再鑄層厚度的主要因素。Gamage 等[13]研究了電火花制孔工藝參數(shù)對制孔質(zhì)量的影響，制備得到了高性能氣膜冷卻孔。

DD6 單晶材料是我國成功研制的第二代單晶高溫合金，也是目前先進航空發(fā)動機渦輪葉片的關鍵材料。 然而，目前針對DD6 鎳基單晶材料氣膜孔試樣的高周疲勞性能研究尚未有效展開，尤其是不同制孔工藝對單晶材料高周疲勞性能的影響缺少詳實的數(shù)據(jù)，無法為設計提供有效數(shù)據(jù)支持。 因此，本研究開展不同制孔工藝對DD6 單晶材料高周疲勞性能研究，對于高品質(zhì)氣膜孔的制備及設計人員的工藝選取都具有重要意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的材料為第二代鎳基單晶高溫合金DD6，鑄造方向為[001]，晶體取向偏差控制在±5°以內(nèi)。 為了模擬葉片真實受力狀態(tài)，設計了薄壁平板試驗件，試驗件尺寸見圖1，氣膜孔直徑為0.4 mm。

圖1 14 孔平板DD6 試樣幾何尺寸

1.2 試驗方法

采用電液束、毫秒激光、高速電火花三種制孔工藝進行試驗件的加工。 用Hitachi S-4800 型掃描電子顯微鏡分析試樣氣膜孔周圍組織及疲勞試樣斷口形貌。 高周疲勞試驗在 INSTRON8802 型液壓伺服疲勞試驗機上完成，試驗溫度為 980 ℃，控溫精度為±5 ℃，試驗氣氛為空氣。 試驗采用應力控制的加載方式，應力比為0.1，波形為三角波，試驗頻率為 90～120 Hz。

采用升降法測定材料的疲勞極限σD，根據(jù)金屬軸向疲勞設計方法，應力增量選擇為預計疲勞極限的5%以內(nèi)，在3～5 級應力水平下進行。 疲勞極限的運算式為：

式中：m 為有效試驗的總次數(shù)；n 為試驗應力水平級數(shù)；Vi為第i 級應力水平下的試驗次數(shù)；σi為第i 級應力水平。

2 試驗結果與分析

2.1 高周疲勞極限及S-N 曲線

圖2 是不同制孔工藝在980 ℃下的高周疲勞S-N 曲線。 可見，不同工藝高周疲勞壽命都表現(xiàn)出隨著應力的增大而降低的趨勢，且在相同應力水平下，電液束工藝的疲勞壽命高于高速電火花與毫秒激光。 在同樣的980 ℃下，高速電火花制孔、毫秒激光制孔工藝的疲勞極限分別為359、353 MPa， 而電液束制孔工藝的疲勞極限為378 MPa， 較高速電火花制孔、毫秒激光制孔工藝提升約5.3%和7.1%。

圖2 不同制孔工藝高周疲勞S-N 曲線

S-N 曲線可通過Basquin 方程非線性擬合進而獲得[14]：

式中：σa為循環(huán)應力幅值；σ′f為材料的疲勞強度系數(shù)；Nf為疲勞試樣發(fā)生斷裂的循環(huán)周次；b 為Basquin 系數(shù)。 通過曲線斜率可求得不同工藝下的擬合參數(shù)，見表1。

表1 不同工藝下的擬合參數(shù)

2.2 氣膜孔表面質(zhì)量分析

圖3 是DD6 單晶材料不同制孔工藝下的小孔微觀形貌，可見毫秒激光制孔、高速電火花制孔均存在不同厚度的再鑄層，而電液束制孔未見。 如圖3a 所示，毫秒激光制孔的高溫加工過程使試樣在孔洞周圍產(chǎn)生了約40 μm 厚的再鑄層，由于加工過程中溫度較高， 使再鑄層外層的某些元素大量流失，最后的主要殘留成分為脆性的鈷和鎳的碳化物與氧化物，該層的結構為不均勻顆粒狀，使得氣膜孔再鑄層外層結構疏松，存在許多明顯的缺陷與微裂紋； 同時， 圖3a 所示A 處為孔壁再鑄層中的長裂紋，在外加高溫與持續(xù)循環(huán)載荷的作用下，這些缺陷與微裂紋成為了合金疲勞裂紋的起始位置，疲勞裂紋逐漸擴展，最終引起斷裂。 如圖3b 所示，高速電火花制孔形成的再鑄層較毫秒激光的更薄，厚度約為30 μm，內(nèi)壁沒有明顯微裂紋。如圖3c 所示，電液束加工的孔周呈現(xiàn)規(guī)則的圓形， 內(nèi)壁較為光滑，無再鑄層、微裂紋等微觀缺陷。

圖3 不同制孔工藝的小孔橫截面與縱截面形貌

2.3 斷口分析

圖4 是毫秒激光制孔試樣的疲勞斷口宏觀形貌，從斷口側面形貌可見，由于孔間干涉作用的存在，在高溫和交變載荷的持續(xù)作用下，裂紋首先在中間孔邊萌生，并沿著兩孔之間的路徑擴展；從邊孔斷面形貌可見，邊孔孔周的斷面由幾個較光滑的斜平面組成，其中A 平面的法線方向與加載方向平行，為（001）滑移面，B 平面的法線方向與加載方向呈45°~50°夾角， 由晶體學理論可以判定斷裂面是（111）面。 在最危險截面上，拋除多孔之間的相互影響，裂紋都會在（001）面上擴展，但多孔干涉作用使得上下兩排孔附近的應力狀態(tài)趨于復雜，誘使滑移系同時開動。

圖4 毫秒激光制孔的斷口宏觀形貌

圖5 是毫秒激光、高速電火花、電液束三種不同制孔工藝試樣的疲勞斷口微觀形貌，圖中顯示三種制孔工藝下的試樣疲勞斷口特征類似，均為多源斷裂。 疲勞裂紋主要在氣膜孔附近萌生，并沿氣膜孔方向分布有多處裂紋源，在快速斷裂區(qū)形貌呈階梯狀，表現(xiàn)出典型的滑移現(xiàn)象。

圖5 不同制孔工藝制孔的斷口微觀形貌

對圖5a 毫秒激光制孔的斷口微觀形貌進行重點分析，斷口出現(xiàn)在兩個不同的區(qū)域：中間孔（1 號孔）斷裂區(qū)和上部孔（2 號孔）斷裂區(qū)。 圖5a 右側為2 號孔的斷面形貌，其中A 部位為裂紋擴展區(qū)，此處形貌與中間孔孔邊的裂紋擴展區(qū)域類似，但裂紋擴展路徑長度僅為0.4335 mm；B 部位為瞬間斷裂區(qū)，斷面與拉伸軸在45°左右，具有臺階狀斷裂特征。

3 結論

（1）不同制孔工藝高周疲勞壽命隨著應力的變化表現(xiàn)出相同的趨勢，即隨著應力的增大，疲勞壽命逐漸降低，且在相同應力水平下，電液束的疲勞壽命高于高速電火花與毫秒激光。

（2）在980 ℃下，電液束制孔工藝的疲勞極限較高速電火花制孔、毫秒激光制孔工藝提升約5.3%和7.1%。

（3）三種制孔工藝的試樣斷口特征均屬于多源斷裂，斷面大體分為三部分：中間孔孔周的裂紋源區(qū)、沿{001}面的擴展區(qū)以及沿{111}面的瞬斷區(qū)。 疲勞裂紋起源于孔邊，存在多孔干涉效應，各氣膜孔處于復雜應力狀態(tài)進而誘導多個滑移系開動，最終導致裂紋產(chǎn)生并擴展。