粉末高溫合金FGH96慣性摩擦焊接頭室溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試與分析

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 何勝春 廖云建 張?zhí)飩}(cāng)

北京航空航天大學(xué) 楊 美 吳素君

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與服役條件要求的不斷提高，作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)核心熱端部件之一的渦輪盤，其使用的材料的性能要求也更加苛刻。同其他高溫合金材料相比，由于粉末高溫合金具有組織均勻、晶粒細(xì)小、合金化程度高、靜強(qiáng)度及疲勞性能良好等特點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤等重要構(gòu)件的最佳材料。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始著手研制粉末高溫合金，第二代FGH96與FGH95相比，提高了Ti、Cr、Co、W、Mo的含量，降低了Al、Nb、C的含量，從而降低γ′相和碳化物的含量，降低了合金的強(qiáng)度。W和Co含量的增加可以有效提高合金的熱強(qiáng)性；Cr含量的增加可以提高合金的抗氧化性；加入Ce后凈化了晶界，提高了晶界的強(qiáng)韌化效果，使FGH96成為滿足當(dāng)今高推比發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求的渦輪盤、環(huán)形件和其他熱端部件的關(guān)鍵材料。

慣性摩擦焊是利用工件接觸端面相對(duì)運(yùn)動(dòng)中摩擦產(chǎn)生熱，使摩擦界面達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛完成焊接的一種固相焊接方法。由于慣性摩擦焊工藝參數(shù)少，焊接質(zhì)量穩(wěn)定，因而成為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子高溫合金部件的主要焊接工藝。本文對(duì)FGH96摩擦焊焊接接頭室溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行測(cè)試和分析，為粉末高溫合金摩擦焊的工程應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

FGH96合金是鎳基γ′相沉淀強(qiáng)化型粉末冶金高溫合金，基體為γ固溶體，基體中主要強(qiáng)化相γ′的體積分?jǐn)?shù)約占33%～36%，γ′相完全固溶溫度為1120～1130℃，析出溫度為 1030～1090℃，F(xiàn)GH96 合金化學(xué)成分如表1所示。

2 裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)

FGH96粉末高溫合金裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試采用3點(diǎn)彎曲試樣，焊縫和母材試樣規(guī)格為80mm×21mm×7mm，用半徑不超過0.15mm以及鉬絲線切割起始缺口，切口根部半徑不超過0.2mm。燕尾槽內(nèi)置刀口便于引伸計(jì)放置，以及測(cè)量裂紋嘴張開位移。對(duì)于焊縫試樣，缺口開在焊縫中心，以獲得焊縫的裂紋擴(kuò)展速率曲線；對(duì)于母材試樣，缺口開在試樣中心。

表1 粉末高溫合金FGH96的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB-T 6398-2000金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法，在INSTRON 8801 50kN萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，每組至少進(jìn)行3個(gè)試樣測(cè)試。本試驗(yàn)采用恒力增K法，在誘發(fā)裂紋萌生后，采用恒力使疲勞裂紋擴(kuò)展，引伸計(jì)記錄缺口處張嘴位移量的變化，通過柔度法，應(yīng)用給定的彈性模量E和屈服強(qiáng)度RM0.2MPa計(jì)算得到裂紋長(zhǎng)度。裂紋長(zhǎng)度隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子的增加而增加，對(duì)于3點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)板狀試樣，測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)采集、計(jì)算裂紋長(zhǎng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)處理及分析。

對(duì)得到的數(shù)據(jù)采用GB-T 6398-2000推薦的原始數(shù)據(jù)7點(diǎn)平均法處理。在穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值間的關(guān)系可以用Paris公式da/dN=CΔKm表示（其中，C、m為與材料和環(huán)境有關(guān)的參數(shù)），對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)依照Paris公式進(jìn)行擬合。采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)點(diǎn)近似分布在一條直線上。根據(jù)Paris公式，母材的擴(kuò)展速率da/dN=3.14593E-15ΔK5.1410，焊縫區(qū)的擴(kuò)展速率為da/dN=1.67302E-16ΔK5.36754。裂紋擴(kuò)展速率可以用Paris公式表征。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)的da/dN-deltaK曲線上，lgC為直線在縱坐標(biāo)上的截距，m為直線斜率?？芍覆暮秃缚p的斜率相當(dāng)，即m值差別不大，但在y軸上的截距母材大于焊縫區(qū)，即裂紋擴(kuò)展速率曲線高于焊縫區(qū)，母材的C值大于焊縫的C值，即母材的擴(kuò)展速率快于焊縫區(qū)。

（2）斷口分析。

母材疲勞裂紋擴(kuò)展試樣斷口如圖1所示，其中圖1（a）為疲勞源區(qū)，可見裂紋起源于加工缺口根部，有明顯的撕裂棱，撕裂棱平行于裂紋擴(kuò)展方向。圖1（b）為裂紋擴(kuò)展中期，可觀察到疲勞條帶，疲勞條帶并不是位于同一個(gè)平面，而是分布在不同的平面上，且不同平面上的疲勞條帶方向有所差異。這是因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展時(shí)的局部應(yīng)力不同，使得局部裂紋擴(kuò)展方向不同，產(chǎn)生不同擴(kuò)展平面，當(dāng)平面相交時(shí)，則產(chǎn)生撕裂棱。圖1（c）為裂紋擴(kuò)展后期形貌，斷面變得不太平整，并出現(xiàn)韌窩。在疲勞裂紋擴(kuò)展后期，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值增加，裂紋尖端塑性區(qū)較前期變大，使得斷面較之前不平整。同時(shí)，由于裂紋擴(kuò)展接近失穩(wěn)，除了疲勞條帶外，從圖中還可以看到韌窩。

圖1 FGH96母材斷口微觀形貌Fig.1 Fracture Microscopic view of FGH96 matrix

圖2為焊縫疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)試試樣斷口圖。圖2（a）為裂紋擴(kuò)展前期斷口微觀形貌，有明顯的撕裂棱；圖2（b）為裂紋擴(kuò)展中期，疲勞條帶細(xì)密，裂紋擴(kuò)展方向?yàn)樽杂蚁蜃?；圖2（c）為裂紋擴(kuò)展后期，可觀察到疲勞條帶，且可見條帶間距增加，疲勞條帶的間距與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅有關(guān)，隨ΔK的增加而增加。在疲勞裂紋擴(kuò)展后期，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅增加，裂紋尖端塑性區(qū)較前期變大，使得斷面較之前不平整，疲勞條帶變寬。

圖2 FGH96焊縫斷口微觀形貌Fig.2 Fracture Microscopic view of FGH96 joint

根據(jù)斷口觀察，F(xiàn)GH96摩擦焊焊接接頭裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)的試驗(yàn)件均為典型的機(jī)械疲勞斷口形貌。裂紋起源于機(jī)械加工缺口根部，且為多源起裂，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加，斷口顯示為疲勞條帶的間距增加。

對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行切割、鑲嵌，經(jīng)過100#～2000#砂紙打磨后，機(jī)械拋光，最后進(jìn)行腐蝕，以觀察焊縫和母材的組織形貌。對(duì)試驗(yàn)后斷口側(cè)面進(jìn)行切割、鑲嵌、磨拋、腐蝕以觀察裂紋走向。FGH96慣性摩擦焊焊縫和母材組織形貌如圖3所示。由于FGH96合金中的奧氏體具有較低的層錯(cuò)能，因此容易出現(xiàn)孿晶。焊縫中心區(qū)域形貌組織非常細(xì)小均勻，呈等軸晶狀態(tài)，為典型的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織。母材組織晶粒大小不均，晶界處有析出物，并在晶粒內(nèi)部還可見孿晶，這是由于FGH96合金為面心立方的奧氏體，在面心立方金屬中，{111}面為密排孿晶界面，孿晶界面容易沿該密排面滑移形成孿晶。

圖3 試樣缺口處組織形貌Fig.3 Microstructure of sample notch

圖4 斷口側(cè)面形貌Fig.4 Side Microstructure of sample fracture

圖4為焊縫試樣和母材試樣斷口側(cè)面組織形貌，焊縫試樣裂紋沿焊縫擴(kuò)展，裂紋附近組織為細(xì)小晶粒，母材試樣裂紋附近組織為粗大晶粒，焊縫的裂紋擴(kuò)展路徑較為平坦，二者均為穿晶斷裂。

4 結(jié)論

（1）本文對(duì)FGH96摩擦焊焊接接頭裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)曲線使用Paris公式進(jìn)行了擬合，得到母材試樣裂紋擴(kuò)展速率方程為：da/dN=3.14593E-15ΔK5.1410，焊縫區(qū)的擴(kuò)展速率方程為：da/dN=1.67302E-16ΔK5.36754。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，焊縫裂紋擴(kuò)展速率明顯低于母材。

（2）在母材、焊縫中，裂紋均以穿晶形式擴(kuò)展，F(xiàn)GH96慣性摩擦焊焊縫組織為細(xì)小晶粒，母材為粗大晶粒。細(xì)小晶粒晶界的阻礙是焊縫裂紋擴(kuò)展速率低于母材的原因。