楊旭東,潘 攀,焦自賢,張新宇,羅 暘,丁稷萍
(1.上??臻g推進(jìn)研究所,上海 201112;2. 上海交通大學(xué),上海 200240)
隨著我國空間探索任務(wù)的不斷發(fā)展,對姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間服役的要求也不斷提高[1]??臻g姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)目前選用一甲基肼作為燃料,在使用過程中推力室處于復(fù)雜嚴(yán)苛的熱環(huán)境,為了保證長期可靠的工作,需要采用有效的熱防護(hù)措施,常見的有再生冷卻、液膜冷卻和發(fā)汗冷卻等[2-4]。其中1903年由Tsiolkovsky提出的再生冷卻方法是將燃料作為冷卻劑,在燃燒前進(jìn)入推力室側(cè)壁流道進(jìn)行換熱,降低壁面溫度的同時(shí)吸收能量進(jìn)行預(yù)熱,再進(jìn)入燃燒室參與燃燒,具有能量利用率高和冷卻性能優(yōu)異等特點(diǎn),廣泛用于各類推進(jìn)系統(tǒng)。再生冷卻推力室在服役過程中由于兩側(cè)溫度梯度較大,會承受循環(huán)熱沖擊,產(chǎn)生熱疲勞裂紋導(dǎo)致失效[5]。目前空間姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻推力室常采用鎳基高溫合金,強(qiáng)度較高且耐氧化能力較好,但是抗熱疲勞性能較差,在長時(shí)間服役過程中容易出現(xiàn)熱疲勞失效的問題。
鈷基合金是一種高強(qiáng)度合金,一般通過Cr、Mo、Si和W等元素進(jìn)行強(qiáng)化,并形成MC、M6C、M23C6和M7C3碳化物,隨著溫度的升高強(qiáng)度下降較慢,與鎳基合金相比,具有更加優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性能和抗熱疲勞性能[6-7]。但是目前國內(nèi)鈷基合金種類較少,僅有GH5188、GH159和DZ40M等幾種牌號。國外的鈷基合金發(fā)展更為成熟,擁有Stellite合金、Tribaloy合金和哈氏合金等系列,在航空航天、生物醫(yī)療以及化工等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[8]。針對鈷基合金的熱疲勞失效行為和內(nèi)在機(jī)制,科研人員也進(jìn)行了相關(guān)研究。Wen等認(rèn)為熱疲勞過程中應(yīng)力來源較多,鈷基合金中碳化物的狀態(tài)會直接影響抗熱疲勞性能[9]。Wu等對激光定向能量沉積制備的Stellite 6合金進(jìn)行熱疲勞測試,結(jié)果表明裂紋傾向于沿著網(wǎng)狀共晶相和γ/?相界面進(jìn)行擴(kuò)展[10]。
增材制造作為快速成形方式目前廣泛用于制備空間推進(jìn)器的各類復(fù)雜零件,如燃燒室、流道分配器和頭部等。激光定向能量沉積作為一種增材制造方法,是通過將三維模型轉(zhuǎn)化為加工路徑,采用激光熱源熔化粉末或絲材,凝固后形成零件的技術(shù)。同時(shí)其加工過程也具有冷卻速度快(≈106K/s)、溫度梯度大、熱應(yīng)力較高等特點(diǎn)。同軸送粉式激光定向能量沉積方法成形精度較高,穩(wěn)定性較好,而且使用粉末作為原材料,可通過調(diào)整粉末的配比來實(shí)現(xiàn)合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前增材制造鈷基合金的研究多針對現(xiàn)有牌號,難以滿足空間發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻推力室在溫差較大、頻率較高的冷熱循環(huán)狀態(tài)下的服役需求。本研究通過機(jī)械球磨混粉和激光定向能量沉積復(fù)合的方式制備了新型鈷基合金,進(jìn)行了自約束熱疲勞測試,熱疲勞裂紋萌生臨界循環(huán)次數(shù)增加,裂紋擴(kuò)展速率降低,提高了抗熱疲勞性能。此外,本研究分析了鋁和鎳元素添加對鈷基合金顯微組織和裂紋行為的影響,闡明了鈷基合金熱疲勞的失效機(jī)制和強(qiáng)化方法,為鈷基合金再生冷卻推力室的制造和應(yīng)用提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持。
試驗(yàn)采用激光定向能量沉積方法,通過同軸送粉方式在AISIH13鋼基板上經(jīng)激光熔化制備出鈷基合金,雙層沉積路徑如圖1(a)所示,工藝參數(shù)為激光功率800 W,掃描速度5 mm/s,送粉速率7 g/min,氣體流量12 L/min,離焦量3.5 mm。粉末為從中航邁特購買的Stellite 6鈷基合金粉末[見圖1(b)]、99.9%的純鋁和純鎳粉末,通過濕法球磨的方式制備出新型鈷基合金粉末,機(jī)械球磨參數(shù)為:球料比1∶6,轉(zhuǎn)速100 r/min,時(shí)間5 h。采用氧化鋯磨球,酒精作為分散系,并充入氬氣進(jìn)行保護(hù),防止在球磨過程中粉末破碎或氧化。粉末各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示,其中3Al粉末是在Stellite 6粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鋁,3Al5Ni粉末則是在Stellite 6粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%鋁和5%鎳。由于鈷基合金層錯(cuò)能較低,激光定向能量沉積過程中容易發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變,前期研究中鈷基合金的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)表明[10,11],向Stellite 6合金中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鋁可以有效抑制沉積過程中γ相向?相的轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上添加鎳元素可以進(jìn)一步提高層錯(cuò)能,從而探究熱疲勞過程中鈷基合金的相變對熱疲勞裂紋行為的影響。沉積態(tài)鈷基合金經(jīng)機(jī)加工得到熱疲勞試樣,尺寸如圖1(c)所示,其表面依次用320 #、600 #、800 #和1200 #砂紙打磨,再經(jīng)金剛石拋光液進(jìn)行拋光,隨后使用酒精洗凈并吹干。
圖1 激光定向能量沉積設(shè)備、Stellite 6粉末及熱疲勞試樣Fig.1 Laser directed energy deposition equipment, Stellite 6 powder and thermal fatigue sample
表1 鈷基合金粉末與基板各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)
熱疲勞測試采用自制的自約束型熱疲勞試驗(yàn)機(jī),由高頻感應(yīng)加熱、機(jī)械固定裝置和水冷系統(tǒng)組成,如圖2(a)所示。在測試過程中,將試樣夾持在線圈中央,調(diào)整水冷位于試樣測試面,采用K型熱電偶測量試樣表面溫度,溫升曲線如圖2(b)所示。根據(jù)實(shí)際工況及文獻(xiàn)[12-13],熱疲勞參數(shù)為5.5 s。將試樣表面溫度從室溫加熱至600 ℃,再水冷10 s降至室溫,即每個(gè)熱疲勞循環(huán)周期為15.5 s。
圖2 熱疲勞試驗(yàn)裝置及溫升曲線Fig.2 Thermal fatigue equipment and relation curve of induction heating time versus temperature
熱疲勞測試過程中每隔50次,通過掃描電子顯微鏡(TESCAN, LYRA3GMU, SEM)對樣品中部進(jìn)行觀察,當(dāng)出現(xiàn)長度大于50 μm的裂紋,定義此刻熱疲勞次數(shù)為臨界循環(huán)次數(shù)。
再進(jìn)行熱疲勞測試,通過掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡(Zeiss, LSM 900, LSM)準(zhǔn)確測量裂紋擴(kuò)展速率,從而對比3種鈷基合金抗熱疲勞性能差異。每種合金均測試3個(gè)試樣,臨界循環(huán)次數(shù)和裂紋擴(kuò)展速率均為平均值。同時(shí),采用電子背散射衍射(EBSD)和X射線衍射(XRD)等方法對熱疲勞測試過程中組成相的變化進(jìn)行表征,從而探索影響性能的因素。
沉積態(tài)鈷基合金的抗熱疲勞性能與微觀組織密切相關(guān),本節(jié)采用多尺度表征方法重點(diǎn)分析3種合金的晶粒形態(tài)和組成相。
2.1.1 沉積態(tài)鈷基合金晶粒形態(tài)
如圖3(a)~圖3(c)所示,激光定向能量沉積制備的3種鈷基合金厚度均約500 μm,成形良好,無裂紋和氣孔等明顯缺陷。
圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)分別為圖3(a)中區(qū)域d、e、f的局部放大圖。從局部放大圖中可以看到,沉積態(tài)Stellite 6合金從頂層至基板分別由等軸晶[見圖3(d)]、柱狀晶[見圖3(e)]和平面晶[見圖3(f)]組成,這與凝固過程密切相關(guān),由溫度梯度和生長速率之比(G/R)決定[14]。沉積初期,激光熱源的能量密度很高,沉積速度很快,在靠近AISI H13鋼基板處散熱較快,溫度梯度G較大,而生長速率R較小,從而形成比較薄的平面晶。隨著凝固過程的進(jìn)行,散熱變慢,溫度梯度減小,生長速率升高,平面晶向柱狀晶發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)接近頂部時(shí),G/R值進(jìn)一步減小,顯微組織則呈現(xiàn)等軸晶的形態(tài)。在熱疲勞過程中,裂紋主要在頂部等軸晶區(qū)萌生并擴(kuò)展,故對此區(qū)域作重點(diǎn)分析。
2.1.2 沉積態(tài)鈷基合金組成相
如圖4所示,3種鈷基合金的等軸晶區(qū)呈現(xiàn)樹枝晶特點(diǎn),這主要與鈷基合金成分有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[15],當(dāng)碳含量小于2.5%時(shí),鈷基合金為亞共晶組織,即凝固過程中先形成鈷基枝晶,然后在枝晶間再形成鈷固溶體和碳化物的共晶相。在深灰色鈷基枝晶間分布有淺灰色和白色2種碳化物,通過能譜分析(見表2)可以確定存在富鉻和富鎢2種碳化物。
圖4 沉積態(tài)鈷基合金等軸晶區(qū)顯微組織Fig.4 Microstructures of equiaxed dendrite grain area of deposited cobalt-based alloys
表2 圖4中測試點(diǎn)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)
為了進(jìn)一步確定3種鈷基合金的組成相,進(jìn)行了XRD測試,圖5顯示在添加鋁和鎳元素后碳化物的類型保持不變,均為M23C6和M7C3,而?-Co相僅出現(xiàn)在Stellite 6合金中。這主要是因?yàn)榧冣捲诟邷貢r(shí)是FCC相,即γ-Co相,而低于417 ℃時(shí)為HCP相,即?-Co相,兩者的轉(zhuǎn)變是無擴(kuò)散馬氏體相變[16]。而激光定向能量沉積過程中冷卻速度較快,使大量高溫γ-Co相保持至低溫,當(dāng)層錯(cuò)能較低時(shí),部分γ-Co相轉(zhuǎn)變?yōu)?-Co相。根據(jù)文獻(xiàn)[11,17-18],加入鋁和鎳元素均可以提高鈷基合金的層錯(cuò)能,從而抑制凝固過程中γ-Co相向?-Co相的轉(zhuǎn)變。
圖5 沉積態(tài)鈷基合金XRD衍射圖譜Fig.5 XRD diffractions of deposited cobalt-based alloys
3種鈷基合金的抗熱疲勞性能如圖6所示。其中Stellite 6合金裂紋出現(xiàn)最早(1 700次),裂紋擴(kuò)展速率最快,加入鋁元素后臨界循環(huán)次數(shù)有所增加(1 950次),裂紋擴(kuò)展速率下降了7.5%。而3Al5Ni合金的抗熱疲勞性能顯著提高,臨界循環(huán)次數(shù)提升至2 250次,裂紋擴(kuò)展速率下降了12.25%。
圖6 熱疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Statistical graph of thermal fatigue cracks initiation and propagation
為分析3種沉積態(tài)鈷基合金抗熱疲勞性能差異之間的內(nèi)在機(jī)制,采用掃描電子顯微鏡和激光共聚焦顯微鏡對熱疲勞測試后合金表面進(jìn)行觀察。首先,分別對3種合金熱疲勞裂紋萌生時(shí)的形貌進(jìn)行表征,均具有沿晶斷裂的特征,但也存在較多不同。如圖7(a)和圖8(a)所示,Stellite 6合金和3Al合金熱疲勞裂紋比較集中,向四周擴(kuò)展,而3Al5Ni合金表面的熱疲勞裂紋分布則更為分散[見圖9(a)]。當(dāng)熱疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)到3 000次時(shí),Stellite 6合金熱疲勞裂紋明顯擴(kuò)展[見圖7(b)]。如圖7(c)和圖7(d)所示,通過LSM對合金表面三維形貌進(jìn)行分析可以看到,在裂紋附近存在大量的氧化物,這是因?yàn)樵陂_裂過程中暴露出的新鮮表面容易被氧化,嚴(yán)重降低了合金的表面質(zhì)量,粗糙度降為0.615 μm。如圖8(b)所示,沉積態(tài)3Al合金裂紋擴(kuò)展較慢,而且三維形貌顯示裂紋附近氧化物較少[見圖8(c)和圖8(d)],表面粗糙度為0.354,說明其具有更好的抵抗熱疲勞裂紋的能力。如圖9(b)所示,沉積態(tài)3Al5Ni合金裂紋擴(kuò)展最慢,而且裂紋附近氧化物最少,并通過LSM測試結(jié)果可知[見圖9(c)和圖9(d)],合金表面質(zhì)量較高,粗糙度為0.205 μm。這也說明了隨著鋁和鎳元素的加入,熱疲勞過程中鈷基合金可以更好地保持表面狀態(tài),潛在裂紋源也有所減少。
圖7 Stellite 6合金熱疲勞裂紋形貌Fig.7 Thermal fatigue cracks morphologies of Stellite 6 alloy
圖8 3Al合金熱疲勞裂紋形貌Fig.8 Thermal fatigue cracks morphologies of 3Al alloy
圖9 3Al5Ni合金熱疲勞裂紋形貌Fig.9 Thermal fatigue cracks morphologies of 3Al5Ni alloy
如圖10所示,進(jìn)一步對熱疲勞過程中3種鈷基合金的顯微組織變化進(jìn)行分析,根據(jù)前文XRD測試結(jié)果可知,沉積態(tài)鈷基合金中僅有Stellite 6合金中存在?-Co相,而3Al合金和3Al5Ni合金的枝晶均為γ-Co相。但經(jīng)過熱疲勞測試后,3種鈷基合金中均出現(xiàn)了?-Co相,如圖10(d)~圖10(e)所示。這主要是因?yàn)闊崞谶^程中冷熱循環(huán)產(chǎn)生較大的應(yīng)力應(yīng)變,從而引起γ-Co相向?-Co相的應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變[19]。但是通過對組成相的統(tǒng)計(jì)(如圖11所示),3Al合金中碳化物的數(shù)量增多,尺寸變大,?-Co相的含量較少(3.2%);3Al5Ni合金中碳化物的數(shù)量有所降低,尺寸變小,而且熱疲勞測試過程中形成的?-Co相的含量更少(1.1%),減少了γ/?相界面的數(shù)量,而熱疲勞裂紋也更傾向于在相界面快速擴(kuò)展[20]。
圖10 沉積態(tài)鈷基合金熱疲勞裂紋EBSD分析結(jié)果Fig.10 EBSD analysis for thermal fatigue cracks of deposited cobalt-based alloys
圖11 沉積態(tài)鈷基合金熱疲勞測試后組成相統(tǒng)計(jì)圖Fig.11 Statistical graph of phase compositions of deposited cobalt-based alloys after thermal fatigue test
熱疲勞過程中,鈷基合金表面經(jīng)受循環(huán)的熱沖擊,根據(jù)Huntz理論可知[9],應(yīng)力來源于加熱和冷卻過程中由熱傳導(dǎo)引起的應(yīng)力,以及基體和碳化物之間熱膨脹系數(shù)差異,分別為:
(1)
(2)
(3)
式中:下標(biāo)m和p分別表示鈷基枝晶和碳化物;E為彈性模量;ν為泊松比;α為熱膨脹系數(shù);d為晶粒尺寸;ΔT為溫度差。在熱疲勞過程中,升溫段試樣表面為壓應(yīng)力;降溫段為拉應(yīng)力,是裂紋萌生的主要階段。通過試驗(yàn)測定的3種合金的參數(shù)如表3所示,根據(jù)式(1)可求解出3種合金表面熱應(yīng)力極限值分別為2 GPa、2.3 GPa和2.4 GPa,這說明隨著鋁和鎳元素的加入,樣品表面最高熱應(yīng)力值有所上升。此外,針對基體和碳化物之間熱膨脹系數(shù)差異引起的熱應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)前文分析,在加入鋁元素后dm/dp的值減小,γ-Co相與碳化物之間的應(yīng)力增大,但同時(shí)由于層錯(cuò)能的升高,熱疲勞過程中形成的?-Co相減少,容易成為裂紋源的γ/?相界面變少,與Stellite 6合金相比,3Al合金裂紋萌生更晚,擴(kuò)展速度更慢。這也說明了在熱循環(huán)過程中,γ-Co相與碳化物之間的應(yīng)力在早期無法破壞晶界產(chǎn)生裂紋,而應(yīng)力更為集中的γ/?相界面則成為裂紋萌生的薄弱位置,即鈷基合金中抑制γ-Co相向?-Co相的轉(zhuǎn)變有利于提高抗熱疲勞性能。而3Al5Ni合金的層錯(cuò)能更高,且碳化物含量及尺寸均降低,dm/dp的值增大,碳化物與鈷基枝晶間的應(yīng)力下降,而且γ/?相界面更少,可以更為有效地抑制熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。
表3 鈷基合金參數(shù)
綜上所述,鋁和鎳元素的加入雖然會導(dǎo)致試樣表面峰值熱應(yīng)力上升,但由于熱疲勞裂紋更容易在γ/?相界面萌生,抑制γ相向?相的轉(zhuǎn)變有助于抑制熱疲勞裂紋,所以3Al合金比Stellite 6合金具有更優(yōu)異的抗熱疲勞性能。此外,鎳元素的加入降低了碳化物與基體之間的應(yīng)力,并進(jìn)一步抑制?相的出現(xiàn),從而展現(xiàn)出更好的抗熱疲勞性能。
本文主要研究了激光定向能量沉積鈷基合金的熱疲勞行為和失效機(jī)制,通過添加鋁和鎳元素對鈷基合金的組成相進(jìn)行調(diào)控,并根據(jù)再生冷卻推力室實(shí)際服役環(huán)境,采用自約束熱疲勞設(shè)備進(jìn)行服役性能測試。通過SEM、LSM和XRD等多種分析方法,詳細(xì)表征了熱疲勞過程中表面狀態(tài)的變化及顯微組織的演變,闡明了抗熱疲勞性能提升的方法,為激光定向能量沉積鈷基合金在工程實(shí)際中的應(yīng)用提供指導(dǎo),主要結(jié)論如下。
1)沉積態(tài)鈷基合金從表層至基體依次為等軸晶、柱狀晶和平面晶,其中等軸晶由鈷基枝晶和枝晶間的共晶相組成。沉積態(tài)Stellite 6合金由γ-Co相、?-Co相、M23C6相和M7C3相組成,而沉積態(tài)3Al合金和3Al5Ni合金由于層錯(cuò)能較高,并未出現(xiàn)?-Co相,碳化物的類型保持不變。
2)添加鋁和鎳元素均有助于提高抗熱疲勞性能,沉積態(tài)3Al5Ni合金的抗熱疲勞性能最佳,與沉積態(tài)Stellite 6合金相比,熱疲勞臨界循環(huán)次數(shù)提高了550次,裂紋擴(kuò)展速率下降了12.25%。
3)提高鈷基合金的層錯(cuò)能,減少γ/?相界面,同時(shí)降低碳化物的尺寸和含量,均有助于延緩熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。