GH536高溫合金焊接接頭疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展原位試驗(yàn)研究

魏振偉，劉昌奎，顧玉麗，陶春虎

(1.北京航空材料研究院 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3. 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

GH536高溫合金焊接接頭疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展原位試驗(yàn)研究

魏振偉1,2,3，劉昌奎1,2,3，顧玉麗1,2,3，陶春虎1,2,3

(1.北京航空材料研究院 中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3. 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

采用原位疲勞試驗(yàn)方法，實(shí)時(shí)觀察了GH536焊接接頭疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為，從而揭示了GH536焊接接頭疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制：疲勞加載過(guò)程中，位錯(cuò)沿滑移帶在晶界前沿塞積，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，裂紋沿滑移帶開(kāi)裂，萌生疲勞裂紋；疲勞裂紋擴(kuò)展初期，受單滑移的交替作用，裂紋呈“Z”字型向前擴(kuò)展，隨后裂紋的擴(kuò)展逐漸以主應(yīng)力控制為主，垂直于加載方向、平直向前擴(kuò)展；GH536合金焊接接頭組織中的晶界和碳化物會(huì)阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展。

疲勞；裂紋萌生；裂紋擴(kuò)展；焊接接頭；原位

0 引言

GH536(Hastelloy X)是一種以Ni-Cr-Fe為基的固溶強(qiáng)化型高溫合金，主要的固溶強(qiáng)化元素為Mo、W和Co，在高溫下具有良好的耐蝕性能、抗氧化性能及強(qiáng)度，冷熱加工性能及焊接性能良好。由于其良好的高溫性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件、壓氣機(jī)盤(pán)、風(fēng)扇、葉片及其他高溫部件的生產(chǎn)加工中[1-5]。其非常適合用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接導(dǎo)管的生產(chǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，各部件的疲勞失效是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障的一個(gè)主要原因。在疲勞加載過(guò)程中，由于應(yīng)力集中裂紋通常在試樣表面萌生，而應(yīng)力集中主要是由于組織不均勻所造成的。焊接接頭組織具有明顯的不均勻性[6-7]，組織不均勻性會(huì)影響接頭的疲勞性能，如疲勞壽命[8]、疲勞裂紋擴(kuò)展速率[9-10]及疲勞裂紋擴(kuò)展路徑[11]等。目前對(duì)于GH536原材料組織和性能方面進(jìn)行了大量的研究，固溶組織組成[12-13]，溫度和應(yīng)變速率對(duì)Hastelloy X流變性能的影響[2]，加工性能[4]、塑性畸變[14-15]、時(shí)效硬化機(jī)制[13]、疲勞性能[3,14]以及蠕變性能[16]等。Graneix等研究了Hastlloy X和Haynes 188之間的焊接組織和性能[17]。對(duì)于GH536焊接接頭高周疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展研究未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道。

本研究采用原位疲勞試驗(yàn)方法，在掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，實(shí)時(shí)觀察疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程，揭示GH536焊接接頭疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制。為研究高溫合金焊接接頭的疲勞性能提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)中GH536焊接將用于發(fā)動(dòng)機(jī)輸油管，因此選擇了外徑φ50 mm、壁厚2.5 mm管材作為試驗(yàn)材料。焊絲φ2 mm，合金牌號(hào)與試驗(yàn)用管材牌號(hào)相同。GH536高溫合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 GH536高溫合金化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

GH536管材坡口形式為單邊V型坡口，坡口角度為45°，鈍邊高度為0.5 mm，焊接前使用丙酮和稀酸清洗焊接表面，保證表面無(wú)灰塵、殘留氧化物等。將管材使用專(zhuān)用卡具夾持在焊接自動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，接頭形式為對(duì)接，無(wú)間隙。焊接設(shè)備為美國(guó)Miller Syncrowave 350LX焊機(jī)，采用手工鎢極氬弧焊方法進(jìn)行單面焊。焊接完成后進(jìn)行980 ℃×2 h的去應(yīng)力退火處理。按照?qǐng)D1所示尺寸加工成原位疲勞試樣，疲勞試樣需要兩面磨拋，制備成金相試樣，試樣最終厚度為0.5 mm。金相腐蝕采用Kalling試劑(CuCl2、HCl、C2H5OH分別為5 g、100 mL、100 mL)。原位試驗(yàn)在島津SEM-SERVO 550帶掃描電子顯微鏡的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)在室溫、真空條件下，在掃描電鏡的觀察腔內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)為應(yīng)力控制，軸向拉伸，應(yīng)力比為0.1。

圖1 原位試樣尺寸Fig.1 Dimension of in-situ specimen

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞裂紋萌生

當(dāng)疲勞循環(huán)達(dá)到469 881周次時(shí)，在圖2a所示黑線的右側(cè)出現(xiàn)了微裂紋，從圖2a中可以看到，黑線兩側(cè)的組織取向明顯不同。放大后觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋主要存在3種形態(tài)：一是裂紋方向沿著滑移方向，位于晶界一側(cè)(橢圓內(nèi)所示)，試樣表面可見(jiàn)大量滑移線，晶界兩側(cè)滑移方向明顯不同(圖2b)；二是裂紋沿著滑移方向，穿過(guò)晶界，試樣表面可見(jiàn)大量滑移線，晶界兩側(cè)的滑移線也明顯不同，且晶界右側(cè)的滑移線更加明顯(圖2c)；三是裂紋穿過(guò)晶界，裂紋存在明顯的彎折，裂紋尖端前緣可見(jiàn)明顯的滑移線(圖2d)。

在疲勞加載過(guò)程中，由于應(yīng)力集中裂紋通常在試樣表面萌生，而應(yīng)力集中主要是由于組織不均勻所造成的。在多晶材料中，由于彈、塑性變形的不均勻性性，在晶界或相界容易萌生疲勞裂紋[18]。疲勞加載過(guò)程中，從圖2b可以看到，GH536合金焊接接頭的疲勞裂紋在晶界附近萌生，沿滑移帶開(kāi)裂，形成穿晶裂紋。疲勞加載過(guò)程中，大量位錯(cuò)滑移形成滑移帶，而位錯(cuò)的滑移被晶界所阻擋，位錯(cuò)在晶界前塞積，形成應(yīng)力集中，因此可以在圖2c中晶界右側(cè)看到大量明顯的滑移帶。當(dāng)晶界為小角度晶界時(shí)，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙較小，位錯(cuò)能夠穿過(guò)晶界繼續(xù)滑移；當(dāng)晶界為大角度晶界時(shí)，晶界兩側(cè)的基體的滑移方向明顯不同，晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙較大，位錯(cuò)在晶界前沿著滑移帶塞積，隨著應(yīng)力集中的加劇，滑移帶開(kāi)裂，疲勞裂紋萌生，示意圖見(jiàn)圖3。

2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展

由于裂紋萌生位置不是試樣的邊緣，因此分別觀察了裂紋向兩側(cè)擴(kuò)展的過(guò)程。裂紋左側(cè)尖端擴(kuò)展過(guò)程如圖4所示：裂紋尖端較細(xì)，以“Z”字型向前擴(kuò)展，在裂紋兩側(cè)可見(jiàn)方向相互交叉的滑移帶，裂紋擴(kuò)展依然沿著兩側(cè)的滑移方向前進(jìn)，但裂紋的“Z”字型幅度逐漸變小(圖4a、圖4b)；隨著疲勞加載次數(shù)的增加，當(dāng)循環(huán)510 407周次時(shí)，在裂紋尖端出現(xiàn)垂直于加載方向、水平的裂紋，裂紋兩側(cè)依然可見(jiàn)交叉分布的滑移帶(圖4c)；隨后裂紋一直平直向前擴(kuò)展，兩側(cè)依然可見(jiàn)方向交叉的滑移帶(圖4d)。

圖2 疲勞裂紋的萌生Fig.2 Fatigue cracks initiation

圖3 位錯(cuò)在晶界附近的運(yùn)動(dòng)Fig.3 Dislocation movement near grain boundaries

裂紋右側(cè)尖端擴(kuò)展過(guò)程如圖5所示：裂紋同左側(cè)一樣以“Z”字型向前擴(kuò)展(圖5a)；當(dāng)循環(huán)510 407周次時(shí)，在裂紋尖端出現(xiàn)碳化物(圖5b)；隨著疲勞加載的繼續(xù)，裂紋轉(zhuǎn)向碳化物的邊緣(圖5c)；當(dāng)循環(huán)606 774周次時(shí)，裂紋從碳化物邊緣繞過(guò)，仍以“Z”字型向前擴(kuò)展(圖5d)。碳化物的存在延長(zhǎng)了疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑，其提高了GH536焊接接頭的疲勞性能。

疲勞裂紋擴(kuò)展初期，裂紋尖端的塑性應(yīng)變區(qū)較小，裂紋的擴(kuò)展方向受材料滑移方向的影響較大。在圖4a、圖4b中可以看到，裂紋尖端的擴(kuò)展方向沿著滑移帶的方向，裂紋尖端兩側(cè)受位錯(cuò)交替的單滑移作用，形成了“Z”字型裂紋。隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋尖端塑性影響區(qū)逐漸增大，裂紋的擴(kuò)展受滑移的影響逐漸減小，裂紋的擴(kuò)展主要受主應(yīng)力控制，裂紋垂直與應(yīng)力加載方向平直向前擴(kuò)展，進(jìn)入Paris裂紋擴(kuò)展階段，見(jiàn)圖4c、圖4d。Paris裂紋擴(kuò)展階段的典型模型為larid模型：加載過(guò)程中，分別與加載方向成一定角度的兩個(gè)滑移系使裂紋尖端鈍化；而卸載過(guò)程中，加載產(chǎn)生的塑性變形不能夠完全恢復(fù)，導(dǎo)致裂紋尖端重新銳化，

圖4 裂紋左側(cè)擴(kuò)展形貌(箭頭表示滑移方向)Fig.4 Appearance of crack propagation at the left

圖5 裂紋右側(cè)擴(kuò)展形貌Fig.5 Appearance of crack propagation at the right

裂紋前進(jìn)了Δa，而在斷口上留下一條疲勞條帶[18]。在圖4c、圖4d能夠看到，裂紋兩側(cè)存在呈一定角度分布的滑移帶，滑移方向?yàn)榍袘?yīng)力的最大方向。

3 結(jié)論

1)GH536合金焊接接頭疲勞加載過(guò)程中，位錯(cuò)沿滑移帶在晶界前沿塞積，大角度晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力集中程度增加，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋沿滑移帶開(kāi)裂萌生疲勞裂紋。

2)疲勞裂紋擴(kuò)展初期，受單滑移的交替作用，裂紋呈“Z”字型向前擴(kuò)展，隨后裂紋的擴(kuò)展逐漸受主應(yīng)力控制為主，垂直于加載方向、平直向前擴(kuò)展，進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展的Paris階段。

3)GH536合金焊接接頭組織中的晶界和碳化物會(huì)阻礙位錯(cuò)的滑移，從而阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展。

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In-situ Study of Fatigue Crack Initiation and Propagation in Welded Joint of GH536 Superalloy

WEI Zhen-wei1,2,3，LIU Chang-kui1,2,3，GU Yu-li1,2,3，Tao Chun-hu1,2,3

(1.AVICFailureAnalysisCenter,BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;3.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China)

Behavior of fatigue crack initiation and propagation in GH536 superalloy welded joint was real-timely observed by in-situ fatigue experiment. And the mechanism of fatigue crack initiation and propagation was analyzed. During fatigue cycle loading, dislocations move along slip bands and pile up in front of grain boundaries. Grain boundaries hinder the movement of dislocations, eventually causing slip-bands separation and transgranular fatigue crack initiation. At the beginning of crack propagation, crack tip extends in the pattern of “Z” under the alternate effect of single slip systems; and then crack tip extends perpendicularly to the loading direction under the effect of main stress. Grain boundaries and carbides hinder the extending of fatigue cracks.

fatigue; crack initiation; crack propagation; welded joint; in-situ

2016年9月30日

2016年11月15日

魏振偉(1986年-)，男，博士，工程師，主要從事失效分析及金屬材料微觀物理方面研究。

TG113

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.001

1673-6214(2016)06-0335-05