IC10單晶高溫合金室溫和750 ℃高周疲勞行為

張帥奇，王帥，宗毳，陳升平，張強(qiáng)，譚永寧

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

IC10單晶高溫合金室溫和750℃高周疲勞行為

張帥奇，王帥，宗毳，陳升平，張強(qiáng)，譚永寧

(北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

在渦輪葉片服役過程中，疲勞是其失效的重要原因之一，而已有研究主要針對(duì)不同應(yīng)變速率下IC10合金1 100 ℃低周疲勞性能展開，本文研究定向凝固IC10單晶高溫合金靜態(tài)空氣介質(zhì)環(huán)境下室溫和750 ℃高周疲勞性能。在應(yīng)力比R=-1、f≈83.3 Hz條件下，進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn)，并利用掃描電鏡對(duì)疲勞斷口進(jìn)行觀察;基于試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，討論室溫和750 ℃下IC10單晶高溫合金高周疲勞性能差異的內(nèi)在機(jī)制。結(jié)果表明： IC10單晶室溫疲勞強(qiáng)度為288 MPa，750 ℃疲勞強(qiáng)度為416 MPa;裂紋萌生于試樣表面或近表面缺陷處，斷口主要由裂紋萌生區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和組成。

IC10單晶合金；高周疲勞性能；疲勞裂紋；疲勞強(qiáng)度

0 引 言

鎳基高溫合金因良好的組織穩(wěn)定性、抗蠕變性和抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片[1]。IC10合金是一種Ni3Al基鑄造鎳基高溫合金，具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能、耐腐蝕性能，同時(shí)鑄造性能突出，可作為1 100 ℃使用的渦輪導(dǎo)向葉片材料[2]。目前，在IC10力學(xué)性能測(cè)試方面的研究主要體現(xiàn)在以下方面：IC10定向凝固高溫合金450～990 ℃時(shí)的熱/機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展行為[3]；IC10合金在室溫及高溫下的單向拉伸性能[4]；IC10合金在高溫下的蠕變機(jī)理[5]；熱障涂層對(duì)IC10合金力學(xué)性能的影響[6]；不同加載路徑時(shí)，雙向拉伸狀態(tài)下的IC10合金的屈服行為[7]。

在渦輪葉片服役過程中，疲勞是其失效的重要原因之一。為此，研究高溫合金的疲勞行為，對(duì)合金設(shè)計(jì)及葉片壽命預(yù)測(cè)都具有重要的意義。在IC10合金疲勞性能研究方面，已有研究主要針對(duì)不同應(yīng)變速率下IC10合金1 100 ℃低周疲勞性能展開[8]。與低周疲勞相比，該合金的高周疲勞研究尚未有報(bào)道。為此，從工程應(yīng)用的角度，有必要對(duì)IC10合金在不同服役溫度下的高周疲勞性能進(jìn)行研究，以利于其在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件中更合理、有效地應(yīng)用。

本文采用升降法計(jì)算IC10單晶試樣在室溫和750 ℃下的疲勞極限，得到試樣的S-N曲線；通過斷口形貌分析，探討不同溫度下疲勞斷裂差異的機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用IC10母合金在500 kg真空感應(yīng)爐中熔煉，澆注成φ80 mm的合金錠，合金成分如表1所示。采用快速凝固法在真空感應(yīng)爐中將母合金通過螺旋選晶法澆鑄成單晶試棒。采用EBSD技術(shù)測(cè)定其晶體取向，將晶體取向偏離(lt;0 0 1gt;取向)10°以內(nèi)的試棒通過固溶和時(shí)效處理。固溶處理工藝為：1 180 ℃×2 h+1 265 ℃×2 h，空冷。時(shí)效處理制度為：1 050 ℃×4 h，空冷。將熱處理后的IC10單晶試棒制成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，其形狀尺寸如圖1所示。

表1 IC10合金的化學(xué)成分

在高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行載荷控制的疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度分別為室溫和750 ℃，試驗(yàn)條件為應(yīng)力比R=-1、頻率f≈83.3 Hz，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制合金的高周疲勞S-N曲線，并確定疲勞循環(huán)次數(shù)Nf=107時(shí)的疲勞強(qiáng)度。使用掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷裂后試樣的疲勞斷口，分析其疲勞斷裂機(jī)制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金的顯微組織

IC10單晶鑄態(tài)顯微組織如圖2所示，照片顯示IC10單晶鑄態(tài)組織以γ′相和γ+γ′共晶相為主，并含有少量魚骨狀碳化物析出相，γ′相尺寸不規(guī)則，枝晶干γ′相平均尺寸在0.2～0.4 μm，如圖2(a)所示。經(jīng)熱處理后，γ+γ′相殘余共晶基本消除(如圖2(b)所示)，體積分?jǐn)?shù)小于5%，γ′相為較為規(guī)則的方形，枝晶干γ′相平均尺寸在0.6～0.9 μm，并有更細(xì)小的γ″相析出。

2.2 疲勞性能分析

在室溫和750 ℃下，IC10合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞107疲勞極限升降圖如圖3所示?？梢钥闯觯喊凑丈祱D求得兩個(gè)溫度下107疲勞極限分別為：288 MPa(σ25 ℃)和416 MPa(σ750 ℃)；750 ℃下IC10合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限較室溫下高約128 MPa，表明750 ℃的疲勞性能優(yōu)于室溫疲勞性能。

疲勞試驗(yàn)S-N曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：與大多數(shù)鎳基高溫合金相同，IC10單晶合金的疲勞壽命隨應(yīng)力的減小而增大；750 ℃旋轉(zhuǎn)彎曲S-N曲線維持在425 MPa左右，曲線斜率變化明顯變緩；室溫疲勞曲線的平緩段不明顯；750 ℃疲勞曲線明顯在室溫疲勞曲線的上方，表明合金750 ℃時(shí)的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能要好于室溫時(shí)的疲勞性能。

2.3 高周疲勞斷口形貌

疲勞斷口SEM照片如圖5所示。

從圖5可以看出：IC10單晶合金的室溫、中溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口均是由裂紋萌生區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和失穩(wěn)瞬斷區(qū)三個(gè)部分組成；合金在各種條件下的高周旋彎疲勞斷口中無一例外出現(xiàn)了放射狀條紋特征，表面無論應(yīng)力大小，疲勞裂紋均起源于試樣表面和近表面。其根本原因在于試件受到交變載荷的作用，合金發(fā)生滑移形成滑移帶，滑移到試棒表面時(shí)，在上面形成“擠出”或“侵入”，經(jīng)過一定循環(huán)周次后，在表面薄弱區(qū)域產(chǎn)生足夠的應(yīng)力集中或孔洞，隨即在試樣表面產(chǎn)生疲勞裂紋源[9]。

疲勞裂紋形成后沿易滑移面進(jìn)行擴(kuò)展，由于單晶高溫合金為面心立方結(jié)構(gòu)，中溫下的變形機(jī)制為八面體滑移[10]，可知擴(kuò)展平面與試樣中心軸的夾角約為50°，表明斷裂平面為lt;1 1 1gt;面。疲勞裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)比較平整，它是由于疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，已經(jīng)開裂表面在循環(huán)應(yīng)力作用下不斷發(fā)展磨損造成的。IC10單晶合金的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出典型的枝晶間斷裂和韌窩斷裂，如圖6所示。疲勞裂紋的擴(kuò)展使得橫截面積不斷減小，作用在試樣上的應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子超過合金的斷裂韌度時(shí)，試樣在拉應(yīng)力作用下發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

此外，從圖5可以看出：在相同溫度下，較高應(yīng)力狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)面積小于較低應(yīng)力狀態(tài)。造成上述現(xiàn)象的原因在于：在裂紋快速擴(kuò)展階段，開動(dòng)的滑移系數(shù)量多，除了在lt;1 1 1gt;滑移面內(nèi)進(jìn)行滑移外，位錯(cuò)可以離開原來的滑移面繼續(xù)運(yùn)動(dòng)；在高應(yīng)力狀態(tài)下，滑移方式的轉(zhuǎn)變更為劇烈，滑移速度快，在兩者的綜合作用下，導(dǎo)致其穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)較小。

同時(shí)，從圖5可以看出：在相同應(yīng)力下，750 ℃試樣的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)面積要大于25 ℃的試樣。這是由于溫度升高，應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍較高，滑移系易于開動(dòng)，裂紋擴(kuò)展開始沿多個(gè)滑移系統(tǒng)同時(shí)或交替進(jìn)行，從而增大了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)面積。

3 結(jié) 論

(1) 在應(yīng)力比R=-1，頻率f≈83.3 Hz和實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)空氣介質(zhì)環(huán)境下，測(cè)得IC10單晶高溫合金室溫下合金的疲勞強(qiáng)度σ25 ℃=288 MPa，750 ℃下疲勞強(qiáng)度σ750 ℃=416 MPa。

(2) IC10單晶高溫合金高周疲勞斷口由裂紋萌生區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)三部分組成。疲勞裂紋起源于試樣表層或亞表層處，在交變載荷作用下，疲勞裂紋沿易滑移面進(jìn)行擴(kuò)展，最后發(fā)生韌性斷裂。

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張帥奇(1987-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：高溫合金精密鑄造。王帥(1982-)，女，博士，工程師。主要研究方向：高溫合金精密鑄造。宗毳(1985-)，男，博士，工程師。主要研究方向：高溫合金精密鑄造。陳升平(1989-)，男，碩士，工程師。主要研究方向：高溫合金精密鑄造。張強(qiáng)(1970-)，男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：高溫合金精密鑄造。譚永寧(1966-)，男，碩士，研究員。主要研究方向：高溫合金精密鑄造。

(編輯：趙毓梅)

HighCycleFatigueBehaviorofIC10SingleCrystalSuperalloyatRoomTemperatureand750℃

Zhang Shuaiqi, Wang Shuai, Zong Cui, Chen Shengping, Zhang Qiang, Tan Yongning

(The Key Laboratory of Advanced High Temperature Structural Materials, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Fatigue is one of the important reason for losing efficacy during the process of turbine blade service, but current study aims at IC10 alloy and low cycle fatigue behavior at different strain rate. The high cycle fatigue properties of single crystal IC10 super-alloy are investigated at room temperature and 750 ℃ in ambient atmosphere in this paper. The high cycle fatigue experiments are tested with ratio of stressR=-1 andf≈83.3 Hz. The fatigue fracture surface morphology is observed by SEM(scanning electron microscope). The internal mechanism of the high cycle fatigue properties of IC10 single crystal super-alloy at room temperature and 750 ℃ is discussed based on the observation. The result shows that the fatigue strength of single crystal IC10 is 288 MPa at room temperature and 416 MPa at 750 ℃. The fatigue cracks mainly originate from defects on surface or subsurface of specimen. The fatigue fractures are composed of fatigue source, steady state extension region and transient fracture zone.

IC10 single crystal super alloy; high cycle fatigue property; fatigue crack; fatigue strength

2017-07-25；

2017-09-18

張帥奇,zhang2309508@163.com

1674-8190(2017)04-486-05

TG132.3+2

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.018