韓中寶 陳龍慶 劉璞

(1．中國航發(fā)航空科技股份有限公司，四川 成都 610500; 2．四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所，輻射物理與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064; 3．鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100000)

GH4169(美國牌號(hào)為Inconel 718)合金是以γ′和γ″為主要強(qiáng)化相的固溶時(shí)效強(qiáng)化型鎳基高溫合金，以其優(yōu)異的高溫性能、良好的熱工藝和焊接性能而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、渦輪盤結(jié)構(gòu)件等重要高溫部件，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中該合金的比重占30%以上[1]。GH4169合金部件通常采用鑄造、鍛造等傳統(tǒng)成型工藝，然而，隨著航空飛行器的不斷升級(jí)，新型號(hào)部件的設(shè)計(jì)逐漸向輕量化、復(fù)雜化和一體化發(fā)展，傳統(tǒng)制造工藝越發(fā)難以滿足成形要求。近年來新發(fā)展起來的增材制造技術(shù)在成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為GH4169合金復(fù)雜部件的制造提供了新的解決思路。激光熔融沉積(LMD)是增材制造技術(shù)的典型代表之一，該技術(shù)以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，引導(dǎo)高功率激光束對(duì)合金粉末進(jìn)行逐層熔化，熔池快速凝固，最終實(shí)現(xiàn)大尺寸高性能金屬結(jié)構(gòu)件整體近凈成形。相比于傳統(tǒng)加工工藝，LMD具有材料利用率更高、新產(chǎn)品開發(fā)周期更短等顯著優(yōu)勢(shì)[2-4]。該技術(shù)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機(jī)零部件制造及零件修復(fù)，如C919大飛機(jī)翼肋制造、F15戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的維修、T700飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損修復(fù)[5]。

近年來越來越多的學(xué)者關(guān)注激光沉積熔覆技術(shù)制造的GH4169工件組織性能，并展開了較為全面的研究。席明哲[6]等人在研究激光快速成形GH4169合金試樣時(shí)發(fā)現(xiàn)，樣品拉伸性能具有明顯的各向異性。李祚等[7]在探究高沉積率激光熔覆沉積GH4169合金沉積態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)析出相主要為Laves相、針狀δ相及不均勻分布的γ″和γ′強(qiáng)化相，其拉伸測(cè)試結(jié)果的塑性和強(qiáng)度均低于鍛件標(biāo)準(zhǔn)。王忠等[8]在455℃試驗(yàn)溫度下，探究雙時(shí)效激光沉積GH4169低周疲勞性能接近鍛件時(shí)效狀態(tài)8000次的要求。Wang等[9]發(fā)現(xiàn)，隨著沉積高度的增加和熱循環(huán)周期的延長，柱狀晶逐漸發(fā)生粗化，Laves相的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。

GH4169合金部件在服役過程中往往會(huì)因疲勞產(chǎn)生宏觀裂紋及裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致部件失效。然而，目前針對(duì)LMD成形的GH4169合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率的各向異性研究極少。按照損傷容限疲勞設(shè)計(jì)理論，實(shí)際工程構(gòu)件不可避免地存在裂紋，此裂紋在循環(huán)載荷下擴(kuò)展至突然失效需經(jīng)歷一段穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展期，且此期間的裂紋擴(kuò)展量足夠大，若能有效掌握并控制材料在此階段的疲勞裂紋擴(kuò)展行為特性，將顯著提高材料的應(yīng)用前景和飛機(jī)壽命評(píng)估的準(zhǔn)確性。在航空領(lǐng)域，對(duì)部件剩余壽命的準(zhǔn)確評(píng)估意義重大，通過獲取在特定載荷水平下的da/dN-ΔK關(guān)系曲線，能夠推演出裂紋長度與循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系，部件的剩余壽命也可以被進(jìn)一步評(píng)估，即可保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全，又能避免過早更換部件造成浪費(fèi)。因此，本工作重點(diǎn)研究了LMD成形GH4169合金開口相互垂直的CT試樣疲勞裂紋擴(kuò)展特性，對(duì)其裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行了分析。研究結(jié)果將為GH4169合金的LMD成型工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，并有望推進(jìn)LMD技術(shù)在航空工業(yè)的廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

本文中所有試樣都采用LMD設(shè)備(Metal+1005)制備獲得。GH4169球形粉粒徑50～150 μm，化學(xué)成分見表1。以致密度為主要指標(biāo)，經(jīng)過工藝優(yōu)化試驗(yàn)后的LMD參數(shù)如表2所示，采用該工藝條件所制備的GH4169試樣致密度≥99.2%(沉積基板采用GH4169，400 mm×400 mm×12 mm)。

表1 GH4169粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 經(jīng)過優(yōu)化后的LMD工藝參數(shù)

LMD成形后試樣的熱處理制度如下：820℃保溫8 h，以55℃/h的冷卻速率冷卻到720℃并保溫8 h，然后空冷，具體如圖1所示。裂紋擴(kuò)展CT試樣的取樣示意圖如圖2所示，試樣尺寸根據(jù)GB/T 6398—2017標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。其中，試樣厚度為6.0 mm，將開口沿成形試件沉積高度方向標(biāo)記為橫向試樣，開口與激光掃描路徑平行方向標(biāo)記為縱向試樣，對(duì)試樣表面進(jìn)行磨拋處理，確保試樣表面粗糙度符合GB/T 6398要求(Ra0.4 μm)。

圖1 LMD成形試樣熱處理制度

圖2 CT試樣取樣示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)依據(jù)GB/T 6398—2017標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下進(jìn)行(MTS Landmark370-100 kN)，試驗(yàn)采用COD引伸計(jì)通過柔度法測(cè)量裂紋長度，COD標(biāo)距為5.0 mm。采用降K法預(yù)制～1.5 mm疲勞裂紋(消除機(jī)械加工引起的殘余應(yīng)力，并制造尖銳鋒利的裂紋尖端，模擬真實(shí)的疲勞裂紋)，該階段設(shè)置初始應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK=15 MPa·m1/2。預(yù)制好疲勞裂紋后，采用升K法進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，保持最大載荷Pmax和應(yīng)力比R恒定，最大載荷Pmax=3.2 kN，應(yīng)力比R=0.1，加載頻率f=10 Hz，實(shí)驗(yàn)溫度為23.7℃。

沿疲勞裂紋擴(kuò)展試樣厚度的方向制取金相試樣，磨拋至鏡面，并放入磷酸溶液中電解5～10 s。采用光學(xué)顯微鏡(VHX-500體式鏡)表征宏觀形貌，采用掃描電鏡(Sigma, ZEISS)來進(jìn)行微觀組織形貌表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展

記錄疲勞實(shí)驗(yàn)過程中循環(huán)周次N、裂紋長度a(加載線到裂紋尖端的距離)以及其所對(duì)應(yīng)的最大載荷Pmax、最小載荷Pmin，處理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制a-N曲線(見圖3)?？v坐標(biāo)表示裂紋長度a，橫坐標(biāo)表示循環(huán)周次N，其試驗(yàn)就是觀察隨著循環(huán)周次的增加，疲勞裂紋a逐步增長，應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，裂紋擴(kuò)展速率也隨之增大，直至裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂的全過程。根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展三階段理論(圖4)，二者在試驗(yàn)的初始階段(5萬次以內(nèi))疲勞裂紋a-N曲線的斜率幾乎一致；隨后縱向試樣與橫向試樣的疲勞裂紋長度a之間的差距逐漸被拉大，縱向試樣在15萬循環(huán)周次過后進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，最終在21萬周次時(shí)斷裂；而此時(shí)橫向試樣的裂紋長度a仍然隨循環(huán)周次的增加而緩慢增加，處于穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段，在30萬次進(jìn)入快速擴(kuò)展階段，最終在36萬周次時(shí)斷裂。通過對(duì)比得知：1)橫向試樣在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段持續(xù)的時(shí)間更久，約是縱向試樣的一倍；2)在進(jìn)入快速擴(kuò)展階段后，二者抵抗裂紋擴(kuò)展的能力非常接近，均在5萬～6萬循環(huán)周次內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

圖3 裂紋擴(kuò)展壽命曲線圖

針對(duì)采集的a-N數(shù)據(jù)，采用割線法進(jìn)行計(jì)算處理，得到疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN值。對(duì)于不同試樣類型的試樣形式，其應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的計(jì)算公式各不相同。對(duì)于CT試樣，ASTM E399中明確定義了計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK的經(jīng)驗(yàn)公式(該公式目前也被行業(yè)內(nèi)認(rèn)可和通用)，具體為，不同裂紋長度a對(duì)應(yīng)的ΔK值：

13.32α2+14.72α3-5.6α4)

(1)

式中，α=a/W，a為裂紋長度，W為試樣寬度。

兩種方向試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展da/dN-ΔK曲線(也稱為Paris曲線)如圖4所示。Paris曲線可以分為三個(gè)階段：近門檻區(qū)Ⅰ、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)Ⅱ和快速擴(kuò)展區(qū)Ⅲ。近門檻區(qū)應(yīng)力強(qiáng)度因子很小，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加而快速提高。穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)為疲勞裂紋擴(kuò)展的主要階段，占據(jù)裂紋擴(kuò)展直至工件失效過程的主要組成部分?？焖贁U(kuò)展區(qū)為裂紋擴(kuò)展的最后階段，疲勞裂紋擴(kuò)展速率很大，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加，只要很少的周次就可以導(dǎo)致材料工程失效。圖5中da/dN-ΔK曲線處于疲勞裂紋擴(kuò)展的后兩個(gè)階段：穩(wěn)定擴(kuò)展階段和快速擴(kuò)展階段。對(duì)比橫向和縱向試樣的Paris曲線，可以看出：

圖4 疲勞裂紋擴(kuò)展三個(gè)階段的示意圖

圖5 縱向試樣和橫向試樣疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線

1)在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展速率階段(一般1×10-6～1×10-5mm/周次為穩(wěn)態(tài)階段)，縱向和橫向試樣表現(xiàn)出幾乎相同的裂紋擴(kuò)展速率，但ΔK范圍不同(縱向試樣在15～26 MPa·m1/2，而橫向試樣在15～30 MPa·m1/2)，且橫向試樣維持相同的擴(kuò)展速率需要更大的ΔK，橫向試樣裂紋更難以擴(kuò)展，縱向試樣的裂紋擴(kuò)展抗力比橫向差；

2)在快速擴(kuò)展區(qū)(ΔK>30 MPa·m1/2)，二者曲線的斜率比較接近，說明在此階段，裂紋擴(kuò)展速率與試樣取樣方向沒有關(guān)系；

3)在最終失穩(wěn)斷裂的瞬間，橫向試樣裂紋尖端的ΔK更大。

為了更好地描述da/dN曲線穩(wěn)定擴(kuò)展階段特性，將da/dN-ΔK數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)化計(jì)算，擬合處理后，繪制lg(da/dN)-lg(ΔK)分布點(diǎn)陣圖(見圖6)。該點(diǎn)陣可近似為線性關(guān)系，用公式(2)描述這條直線，得到該階段的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線方程：

da/dN=C(ΔK)m

(2)

其中C為材料的特性常數(shù)，m為該直線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的斜率，并且m值表示裂紋擴(kuò)展速率對(duì)應(yīng)力的敏感程度。將兩種試樣測(cè)試數(shù)據(jù)代入式(2)可得：

縱向試樣：da/dN=6.81554×10-10(ΔK)3.7048，其中C=6.81554×10-10，m=3.7048

橫向試樣：da/dN=4.88652×10-11(ΔK)4.0912，其中C=4.88652×10-11，m=4.0912

圖6 疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展Paris曲線

有研究表明，在確定C和m值后，通過裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算裂紋的擴(kuò)展速率，能夠有效預(yù)測(cè)材料的剩余壽命[9-11]。代入任意ΔK值(ΔK≥15 MPa·m1/2)，可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的da/dN裂紋擴(kuò)展速率，其結(jié)果均為縱向試樣大于橫向試樣，這表明LMD不同成形方向試樣的疲勞性能具有明顯的各向異性。已有研究結(jié)果表明，激光熔覆制造的鎳基合金在力學(xué)性能表現(xiàn)上存在各向異性表現(xiàn)，其中在沿成形試件沉積高度方向的試樣的拉伸性能最低，而與激光掃描路徑平行的試樣的拉伸性能最高[6,11]。在鍛鑄件中，通常把晶粒流線方向看作縱向，垂直于晶粒流線看作橫向，由于殘余應(yīng)力、加工硬化等因素，因此會(huì)存在各向異性(這種各向異性通常能夠通過后續(xù)熱處理徹底消除)，具體為，其拉伸性能表現(xiàn)為縱向最好，沖擊性能橫向最好，斷裂韌度L-T方向最好(裂紋沿橫向T擴(kuò)展)。而上述結(jié)果表明，LMD成形的GH4169合金在疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)也具有各向異性的表現(xiàn)，其它力學(xué)性能與鍛鑄件具有相同的趨勢(shì)性。

2.2 微觀表征結(jié)果與分析

圖7為疲勞裂紋擴(kuò)展試樣的宏觀形貌圖，從圖7(a)和(c)可以看出，其主裂紋方向?yàn)閺淖笾劣?，擴(kuò)展方向基本與載荷方向保持垂直，縱向試樣的裂紋擴(kuò)展路徑相對(duì)而言比較平順，橫向試樣的裂紋擴(kuò)展路徑較為曲折，裂紋面呈鋸齒型及小平面型，裂紋面凹凸不平。在圖7(b)和(d)中能夠觀察到，在粉末沉積方向上具有“熔池條帶”層層堆疊現(xiàn)象，其寬度分別約為311 μm(縱向)和439 μm(橫向)。在“熔池條帶”兩側(cè)規(guī)律性分布著魚鱗狀紋理，在沿成形試件沉積高度方向上，每當(dāng)穿過“熔池條帶”即轉(zhuǎn)向，成Z字形分布。

圖7 疲勞裂紋擴(kuò)展試樣宏觀形貌

圖8 疲勞裂紋擴(kuò)展試樣截面和斷口SEM圖

為了進(jìn)一步分析LMD試樣的斷裂機(jī)制，我們對(duì)橫向和縱向試樣的斷口截面和斷面都進(jìn)行了SEM表征，結(jié)果如圖8所示。有研究表明，沿沉積方向外延生長的柱狀晶組織是LMD-GH4169合金顯微組織最顯著的特征[7]。圖8(a)和(c)中黃色虛線范圍內(nèi)組織為層帶定向凝固組織(柱狀晶)，構(gòu)成“熔池條帶”層。能夠看出層與層結(jié)

合處組織明顯粗化，并呈現(xiàn)不規(guī)則分布，這是由于LMD制造工藝需要激光掃描道搭接進(jìn)行，在搭接時(shí)新的激光掃描道將在前一激光掃描道中形成熱影響區(qū)，并造成熱影響區(qū)內(nèi)的組織粗大。而“熔池條帶”的柱狀晶最為密集且均勻分布，在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋路徑的選擇總是擇弱進(jìn)行。橫向裂紋擴(kuò)展方向與“熔池條帶”相垂直，擴(kuò)展路徑就是在不斷破壞“熔池條帶”的過程，其擴(kuò)展路徑更為曲折，消耗更多的能量，其“熔池條帶”增強(qiáng)了抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，導(dǎo)致其裂紋擴(kuò)散速率比縱向低，也解釋了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段橫向試樣需要更大的裂紋強(qiáng)度因子ΔK維持相應(yīng)的擴(kuò)展速率。根據(jù)圖8(c)，縱向試樣斷口呈明顯的韌性斷口形貌，并且出現(xiàn)河流狀花樣，斷面較為平整，這表明裂紋沿該方向擴(kuò)展具有較多分叉，沒有明顯織構(gòu)的情況下，主裂紋受細(xì)小均勻的針狀δ相影響從而發(fā)生顯著的偏轉(zhuǎn)，增加了裂紋路徑彎曲度，表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展速率較高。而從圖8(d)可以明顯看出，橫向試樣斷口出現(xiàn)了明顯的解理面，無明顯韌窩，表明主裂紋沿該方向擴(kuò)展并未受到阻礙，柱狀組織的存在使得裂紋擴(kuò)展路徑較為平直，表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展速率較低。此外，斷口處未熔粉(圖8(b)&(d))的存在也將成為疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的擇優(yōu)區(qū)域，降低疲勞性能。

3 結(jié)論

(1)激光熔覆沉積GH4169裂紋擴(kuò)展性能在相同應(yīng)力比R、恒幅載荷Pmax下，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段的速率取決于CT試樣選擇的方向，即激光掃描路徑平行方向抵抗裂紋擴(kuò)展的能力明顯弱于沿成形試件沉積高度方向。

(2)與傳統(tǒng)鑄鍛件相比，激光熔覆沉積制取的材料存在顯著的各向異性并且經(jīng)過熱處理后，該各向異性行為并未消除。

(3)其微觀結(jié)構(gòu)是構(gòu)成疲勞裂紋擴(kuò)展行為的差異的主要原因，平行于沉積方向試樣具有更優(yōu)異的疲勞裂紋擴(kuò)展性能。