DZ125高溫合金斷裂特征

張麗輝，胡春燕，劉德林，肖程波

(1.北京航空材料研究院先進高溫結(jié)構(gòu)材料重點實驗室，北京100095;2.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京100095)

0 引言

定向凝固和單晶高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學性能，已廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動機渦輪葉片［1-3］。DZ125合金是我國目前性能水平高的定向凝固鎳基鑄造高溫合金之一，具有良好的中、高溫綜合性能及優(yōu)異的熱疲勞性能。合金中Ti的含量較低，含有1.5%Hf，使合金具有良好的鑄造性能，可鑄成壁厚小至0.6 mm的帶有復雜內(nèi)腔的無余量定向凝固葉片，該材料葉片在我國先進航空發(fā)動機上已得到廣泛應(yīng)用［1，4］。

DZ125合金發(fā)動機葉片在高溫燃氣環(huán)境下承受復雜應(yīng)力狀態(tài)，葉片出現(xiàn)裂紋或斷裂故障不可避免［5］。由于斷裂特征保留了整個斷裂過程的所有痕跡，反映出試件的受力狀態(tài)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)等眾多信息，并且，斷裂特征的宏微觀形貌與特定的斷裂機理相關(guān);因此，斷裂特征分析是研究材料斷裂過程和斷裂失效原因的重要方法［6］。定向凝固高溫合金理論上沿［001］晶體方向生長，加之鎳基高溫合金為面心立方材料的特性，其拉伸、疲勞和疲勞/蠕變等斷裂特征與普通鑄造高溫合金差異較大。目前，對DZ125合金在不同條件下的斷裂特征進行綜合比較方面的研究較少［7-9］。

本研究對DZ125定向凝固高溫合金的室、高溫拉伸，高溫低周、高周疲勞，以及疲勞/蠕變交互斷裂特征進行觀察與總結(jié)，并結(jié)合斷裂特征及其規(guī)律，探討不同條件下的斷裂機制。

1 試驗方法

DZ125合金材料的熱處理工藝為:1 180℃/2 h+1 230℃/3 h，空冷 +1 100℃/4 h，空冷 +870℃ /20 h，空冷。

拉伸試驗采用應(yīng)變控制，應(yīng)變速率為ε=1×10－4，溫度分別為室溫、650 ℃、850 ℃;低周、高周疲勞試驗均采用軸向拉伸疲勞方式，低周疲勞試驗溫度為 980℃，應(yīng)變幅分別為 ±0.35%、±0.60%、±1.00%;高周疲勞試驗溫度為 650℃，加載應(yīng)力最大分別為400、560、700 MPa;疲勞蠕變交互試驗溫度為 980℃，應(yīng)變幅分別為±0.35%、±0.60%、±1.00%，在應(yīng)變幅下最大/最小應(yīng)變保載時間為60/0 s。

采用JSM5600LV掃描電鏡對拉伸斷口進行宏、微觀觀察。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 拉伸斷裂特征

圖1給出了DZ125合金在室溫、650℃、850℃條件下的拉伸斷裂宏微觀特征。室溫下斷口呈深灰色，斷面與應(yīng)力方向垂直，斷口平坦、粗糙，幾乎沒有剪切唇，斷口處試樣的宏觀塑性變形特征不明顯，呈脆性斷裂特征(圖1a)。650、850℃下斷口呈灰褐色，斷口高差較大，呈杯錐狀特征，中間為纖維狀，面積較小，四周為與主應(yīng)力方向呈45°左右的剪切唇(圖1b和圖1c)。

微觀特征表明，室溫斷口和高溫斷口中部區(qū)域均為類解理小平面、等軸韌窩以及較多地沿枝晶斷裂的混合特征(圖1d和圖1e)。高溫斷口邊緣則為沿特定晶體學平面開裂的剪切唇，平面上有淺細的拉長韌窩(圖1f)?？梢姡珼Z125合金室溫和高溫條件下，合金斷裂首先從心部以微孔聚集型斷裂模式形核并且微孔逐漸連接。在室溫條件下，由于材料塑性較差，脆性斷裂特征顯著，使得剪切唇特征不明顯;在高溫條件下，材料塑性相對較好，當拉伸至一定階段，試樣受力狀態(tài)發(fā)生改變，由平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)力狀態(tài)，使得合金形成剪切型斷裂模式。由于鎳基定向凝固高溫合金材料自身特性，其剪切型斷裂沿著特定的晶體學平面進行，試樣邊緣是沿{111}滑移面開裂。

2.2 疲勞斷裂特征

1)低周疲勞。

低周疲勞試驗應(yīng)變幅分別為 ±0.35%、±0.60%、±1.00% 時，疲勞循環(huán)周次分別為9980、690、196。

3種應(yīng)變條件下的低周疲勞斷口宏觀特征基本相同，斷口整體呈灰綠色，源區(qū)顏色較淺，呈灰色。斷口上均存在疲勞源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)3個明顯的特征區(qū)，基本與加載應(yīng)力方向垂直;斷口宏觀呈現(xiàn)起源于試樣表面的多源開裂特征;隨著疲勞應(yīng)變逐漸增大，擴展區(qū)面積逐漸減小，從占斷口面積的90%減小至10%(圖2)。

斷口微觀觀察表明，以疲勞源區(qū)為中心的放射棱線較明顯(圖3a)，在與主應(yīng)力垂直的疲勞區(qū)表面氧化較重，但仍然清晰顯示出疲勞條帶(圖3b)，疲勞條帶間距較大，在3 μm左右。瞬斷區(qū)斷口特征與拉伸斷裂斷口特征類似。

2)高周疲勞。

高周疲勞試驗加載最大應(yīng)力分別為400、560、700 MPa時，疲勞循環(huán)周次分別為 4.20×106、2.15 ×105、5.50 ×104。

圖4、圖5分別給出不同應(yīng)力條件下的高周疲勞斷口宏觀微觀特征。高周疲勞斷口也由3個區(qū)域組成，疲勞擴展區(qū)呈藍色，瞬斷區(qū)呈黑褐色。疲勞裂紋起源于表面，為單疲勞源特征，疲勞源區(qū)和擴展區(qū)宏觀上主要表現(xiàn)為與應(yīng)力軸呈45°左右的光滑晶體學平面特征，在不同加載應(yīng)力下平面面積大小不一。

微觀特征上，疲勞源區(qū)和擴展區(qū)平面上可見裂紋擴展形成的河流狀花樣(圖5a)，該花樣是由于相互平等但又處于不同高度的裂紋交匯形成的臺階不斷相互匯合而成。在擴展區(qū)除可見疲勞條帶外，還存在較多的由平行鋸齒狀或臺階狀斷裂特征(圖5b)。

對比DZ125合金低周和高周疲勞斷裂特征，兩者存在較大的差異。分析認為，造成疲勞斷裂特征不同主要與材料特性、力學狀態(tài)等因素有關(guān)［10］。對于低周疲勞，由于加載應(yīng)力較大，使得與應(yīng)力軸成一定角度的疲勞裂紋擴展第一階段很短，斷裂主要受到正應(yīng)力的作用，整個斷口基本表現(xiàn)為與應(yīng)力軸垂直的斷裂特征。而高周疲勞由于加載應(yīng)力較小，疲勞裂紋擴展第一階段較為充分，疲勞裂紋在交變應(yīng)力作用下沿滑移帶的主滑移面向金屬內(nèi)部擴展，此時滑移面的取向與應(yīng)力軸大致呈45°左右，此時裂紋擴展主要受到切應(yīng)力作用。由于DZ125合金為面心立方材料的鎳基高溫合金，并且為定向凝固合金，高周疲勞裂紋擴展第一階段發(fā)展的特別充分，因此通常表現(xiàn)為類解理小平面和平行鋸齒狀斷裂特征［11］。類解理小平面是裂紋沿著晶粒內(nèi)的{111}滑移面擴展，當其與晶界相遇時，改變方向，顯示出平臺、光滑和反光能力強等特點。而平行鋸齒狀斷裂特征則是疲勞裂紋沿相互不平行的{111}滑移面擴展，裂紋擴展的方向平行于兩組{111}滑移面的交線，即＜110＞方向所形成。

圖1 DZ125合金拉伸斷裂特征Fig.1 Tensile fracture features of DZ125 superalloy

圖2 DZ125合金高溫低周疲勞斷裂宏觀特征Fig.2 Macrostructure of the fractures under high-temperature low-cycle fatigue

圖3 DZ125合金高溫低周疲勞斷裂微觀特征Fig.3 Microstructure of the fractures under high-temperature low-cycle fatigue

圖4 DZ125合金高溫高周疲勞斷裂宏觀特征Fig.4 Macrostructure of the fractures under high-temperature high-cycle fatigue

圖5 DZ125合金高溫高周疲勞斷裂微觀特征Fig.5 Microstructure of the fractures under high-temperature high-cycle fatigue

2.3 疲勞/蠕變斷裂特征

疲勞/蠕變試驗應(yīng)變幅分別為 ±0.35%、±0.60%、±1.00%，在應(yīng)變幅下最大/最小應(yīng)變保載時間為60/0 s時的疲勞循環(huán)周次分別為3752、377和61，與相同應(yīng)變條件下的低周疲勞相比，疲勞壽命大幅下降。

圖6給出了3種應(yīng)變條件疲勞/蠕變交互作用下的斷口宏觀特征，總體上與低周疲勞斷口相似，但主要存在以下幾方面的差異:1)疲勞擴展區(qū)面積相對相同條件下的低周疲勞斷口明顯減小;2)斷口上的撕裂棱線較多，并且相互連接;3)斷口上氧化嚴重，特別是在擴展區(qū)，存在明顯的致密氧化層(圖7)。

圖6 DZ125合金低周/蠕變斷裂宏觀特征Fig.6 Macrostructures of the fractures under high-temperature low-cycle fatigue/creep interaction

圖7 DZ125合金低周/蠕變斷裂微觀特征Fig.7 Microstructures of the fracture under high-temperature low-cycle fatigue/creep interaction

3 結(jié)論

1)DZ125合金室溫、高溫拉伸斷口具有類解理斷裂、韌窩斷裂和沿枝晶斷裂的混合特征，斷裂機制為中心微孔聚集型斷裂。

2)DZ125合金高溫低周疲勞斷裂為多疲勞源，斷口與主應(yīng)力方向垂直。高溫高周疲勞斷裂為單疲勞源，斷口疲勞疲勞裂紋擴展第一階段表現(xiàn)為類解理小平面和平行鋸齒狀斷裂特征。

3)DZ125合金低周/蠕變交互斷裂特征與相同條件下低周疲勞斷口主要存在3個方面的差異:疲勞擴展區(qū)面積明顯減小;斷口上的撕裂棱線較多，并且相互連接;斷口上氧化嚴重，特別是在疲勞擴展區(qū)，存在明顯的致密氧化層。

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