磷對(duì)GH984G高溫低周疲勞性能的影響

肖 旋，于 航

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

700℃超超臨界機(jī)組過熱器以及再熱器管在實(shí)際服役過程中長(zhǎng)時(shí)間受到高溫和煤灰腐蝕，以及復(fù)雜的載荷，服役過程中機(jī)組組件的疲勞損傷不可避免。本文選用的鎳基高溫合金GH984G可滿足700℃超超臨界機(jī)組中A-USC過熱器、再熱器管材的性能要求，被應(yīng)用于700℃超超臨界機(jī)組中管材的制造。為了確保機(jī)組實(shí)際服役時(shí)間，需要對(duì)GH984G合金在服役環(huán)境中的疲勞壽命進(jìn)行研究。

影響鎳基高溫合金低周疲勞的因素繁多，但大體上分為對(duì)合金本身的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變和對(duì)外部環(huán)境的改變。鎳基高溫合金的微觀組織結(jié)構(gòu)變化影響一般在于幾個(gè)方面，分別為晶粒尺寸[1]、抗氧化性[2]、碳化物或第二相[3]以及結(jié)晶學(xué)取向[4]。本文針對(duì)不同磷含量的GH984G合金在700℃大氣環(huán)境中不同應(yīng)變幅下的低周疲勞實(shí)驗(yàn)，研究了磷含量對(duì)GH984G循環(huán)變形行為、疲勞壽命的影響。對(duì)疲勞斷裂機(jī)制初步分析后，通過對(duì)不同磷含量下的晶內(nèi)硬度、斷口形貌、強(qiáng)化相γ′、小角晶界分布和數(shù)量以及孿晶數(shù)量分析進(jìn)一步分析磷的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

材料：實(shí)驗(yàn)材料GH984G主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：C-0.06，Cr-20，F(xiàn)e-17，Mo-2，Nb-1，Ti-1，Al-0.7，Si-0.3，Mn-0.3，Ni-余量。微量元素B-60ppm，S-10ppm，N-10ppm。熱處理工藝為固溶處理后再進(jìn)行時(shí)效處理，固溶處理工藝為：加熱溫度1100℃，保溫時(shí)間為1h，水冷；時(shí)效處理工藝為：加熱溫度700℃，保溫時(shí)間8h，空冷。經(jīng)過熱處理后，晶內(nèi)出現(xiàn)退火孿晶。合金的主要組成相包括基體相γ相、球狀強(qiáng)化相γ′相、塊狀MC型和細(xì)小粒狀M23C6型碳化物。

低周疲勞試驗(yàn)：取含磷量小于5ppm、含磷量等于100ppm、含磷量等于200ppm、含磷量等于400ppm的四種合金，按上述熱處理制度進(jìn)行熱處理，處理后的合金加工成直徑為6±0.15mm，標(biāo)距15mm，總長(zhǎng)度92mm的高溫低周疲勞試樣。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Instron 8801型小載荷液壓疲勞試樣機(jī)，控制方式為總應(yīng)變控制，實(shí)驗(yàn)溫度為700℃，加載方式為三角波加載，應(yīng)變比為-1，應(yīng)變幅選用0.4%、0.5%和0.75%，加載頻率為0.5Hz。所有高溫低周疲勞試樣均進(jìn)行至斷裂失效，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄循環(huán)數(shù)、時(shí)間、總應(yīng)變、塑性應(yīng)變、壓力、負(fù)載和位置。為了減小誤差，同一牌號(hào)同一應(yīng)變幅下準(zhǔn)備3個(gè)疲勞試樣。

組織分析：使用TESCAN MAIA 3型掃描電子顯微鏡觀察了疲勞斷口形貌、斷口縱切面的二次裂紋以及強(qiáng)化相γ′。使用OXFORD公司的NordlysNano型EBSD對(duì)斷口附近的晶粒變化及碳化物的分布變化進(jìn)行了研究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 磷對(duì)GH984G疲勞性能的影響

將含磷量小于5ppm、含磷100ppm、含磷200ppm以及含磷400ppm的四種合金在0.4%、0.5%、0.75%三種不同的應(yīng)變幅下進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)所得的疲勞壽命進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到不同應(yīng)變幅下磷含量與GH984G合金的疲勞壽命之間的關(guān)系，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 四種磷含量合金的疲勞壽命

由圖1可知，在三種應(yīng)變幅下，隨著磷含量升高，疲勞壽命均呈現(xiàn)先上升、后下降的趨勢(shì)，磷含量為100ppm的合金在三種應(yīng)變幅下均擁有最高的疲勞壽命。

GH984G合金的疲勞斷口形貌如圖2所示。

圖2 0.75%應(yīng)變幅下的疲勞斷口

在對(duì)斷口的觀察中發(fā)現(xiàn)，合金的疲勞斷口整體上看比較平坦，斷口的微觀形貌呈現(xiàn)河流花樣狀，具有這種微觀特征的斷口其斷裂方式為解理斷裂，屬于脆性穿晶斷裂[6]。斷口形貌為典型鎳基高溫合金斷口形貌，其特點(diǎn)為多疲勞源，且疲勞源均起源于樣品表面。疲勞源的數(shù)量與磷含量及應(yīng)變幅的關(guān)系如表1所示。

表1 磷含量與應(yīng)變幅及疲勞源個(gè)數(shù)的關(guān)系

由表1可知，隨著磷含量的增加，疲勞源的數(shù)量降低，說明在GH984G合金中加入磷元素能夠有效的抑制裂紋源的產(chǎn)生。疲勞斷口的斷裂區(qū)(虛線所示區(qū)域)面積隨著磷含量的增加而降低，斷裂區(qū)的面積越大，表明裂紋擴(kuò)展速度越快，這說明在合金中加入磷可以阻礙裂紋的擴(kuò)展。

為了進(jìn)一步說明磷對(duì)合金中裂紋擴(kuò)展的影響，對(duì)斷口的微觀形貌進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 0.75%應(yīng)變幅疲勞斷口的微觀形貌

從圖3中可以觀察到，合金在大應(yīng)變幅下的疲勞斷口中存在較多的二次裂紋，磷含量為100ppm的合金中，二次裂紋的數(shù)量明顯低于磷含量小于5ppm以及磷含量為400ppm的合金。表明在合金中加入磷可以阻礙裂紋擴(kuò)展，但當(dāng)磷的含量大于100ppm時(shí)，磷對(duì)裂紋的擴(kuò)展的阻礙作用會(huì)減弱。

對(duì)疲勞前樣品的晶粒尺寸和晶內(nèi)維氏硬度進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果見表2。

表2 四種P含量合金的晶粒尺寸及晶內(nèi)維氏硬度

由表2可知，晶粒尺寸隨著磷含量的增加而增大，這是由于磷在鎳基高溫合金中主要偏析于晶界，只有少量固溶于基體中[5]。磷原子偏析于晶界可取代原有的碳原子，隨著磷含量增加，晶界處的碳原子減少，磷原子增多，但磷對(duì)晶界的釘扎作用沒有碳強(qiáng)，含磷的晶界更容易遷移使晶界長(zhǎng)大，所以當(dāng)磷含量增加時(shí)晶粒尺寸增大，不利于合金的疲勞性能。相較于磷含量小于5ppm的合金，磷含量為100ppm的合金硬度明顯增高，但當(dāng)磷含量到200ppm以及400ppm時(shí)，合金的晶內(nèi)硬度差距不大。這是由于有微量的磷固溶于γ基體中，提高了晶內(nèi)強(qiáng)度和硬度。但由于固溶度較小，100ppm的磷的加入已經(jīng)飽和，因此三種不同磷含量的合金晶內(nèi)硬度差距不大。由于該合金的疲勞斷裂方式是以穿晶斷裂為主的，因此晶內(nèi)硬度較低是低磷合金疲勞壽命較短的原因之一。

2.2 磷對(duì)GH984G疲勞過程中循環(huán)應(yīng)力的影響

圖4為三種應(yīng)變幅下不同磷含量的合金循環(huán)應(yīng)力曲線圖。

圖4 三種應(yīng)變幅下不同磷含量的循環(huán)應(yīng)力曲線

從圖4中可以看出，在較低的應(yīng)變幅下(0.4%和0.5%)，不同磷含量的合金其循環(huán)應(yīng)力曲線皆呈現(xiàn)先下降，而后趨于平穩(wěn)，最后再下降的形式；在大應(yīng)變幅(0.75%)下，不同磷含量的合金循環(huán)應(yīng)力曲線皆為先上升再下降，而后趨于平穩(wěn)，最后再下降的形式。這說明GH984G合金在0.75%大應(yīng)變幅下，先產(chǎn)生循環(huán)硬化，再循環(huán)軟化，而才后達(dá)到平衡，最后斷裂。而在0.5%、0.4%應(yīng)變幅下，并無循環(huán)硬化過程產(chǎn)生，合金直接出現(xiàn)循環(huán)軟化現(xiàn)象，而后進(jìn)入平衡過程，進(jìn)而斷裂，經(jīng)過對(duì)比可知合金在疲勞過程中是否出現(xiàn)硬化現(xiàn)象與是否加入磷元素以及加入磷元素的多少并無直接關(guān)系，主要取決于疲勞應(yīng)變幅的大小，在低應(yīng)變幅下不產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，而在高應(yīng)變幅下會(huì)出現(xiàn)循環(huán)硬化?？v向?qū)Ρ热N應(yīng)變幅下的循環(huán)應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)，合金中加入磷以后，合金的循環(huán)壽命明顯高于不加磷的合金，由此可知磷元素可以提高合金的疲勞壽命。磷元素的加入可釘軋位錯(cuò)，增加位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難度，減小在疲勞過程中晶體有序化被破壞的程度，導(dǎo)致循環(huán)軟化幅度下降，對(duì)疲勞有益。材料的循環(huán)軟化過程的循環(huán)數(shù)相差不大，壽命差距集中在平衡過程。

2.3 磷對(duì)GH984G微觀組織的影響

使用掃描電子顯微鏡對(duì)合金中的γ′強(qiáng)化相進(jìn)行觀測(cè)，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 合金中的γ′強(qiáng)化相

在同一應(yīng)變幅下不同磷含量合金中γ′強(qiáng)化相的尺寸變化不大，而由于不同應(yīng)變幅下材料疲勞壽命差距較大，γ′強(qiáng)化相受熱長(zhǎng)大，不同應(yīng)變幅下的γ′強(qiáng)化相的尺寸則有較大差別。

利用EBSD技術(shù)對(duì)合金中碳化物的分布情況進(jìn)行分析，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同磷含量合金中的碳化物

由圖6可知，隨磷含量增加，晶界附近大尺寸MC碳化物減少，小尺寸M23C6碳化物增多，晶內(nèi)碳化物數(shù)量有所提高。這是因?yàn)榱自尤〈嗽诰Ы缙鄣奶荚?，使碳原子進(jìn)入晶內(nèi)。MC碳化物中碳的原子百分比高于M23C6，因此晶界處MC碳化物減少。由于合金的斷裂方式以穿晶斷裂為主，晶內(nèi)碳化物的增加會(huì)提升晶內(nèi)強(qiáng)度，因此對(duì)疲勞壽命有益。

使用EBSD對(duì)斷口縱切面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在兩種應(yīng)變幅下，含磷200ppm合金的小角晶界比例均低于含磷小于5ppm合金和含磷400ppm的合金，但含磷200ppm的合金孿晶比例比較高，在0.75%應(yīng)變幅下，200ppm含磷合金的孿晶數(shù)量遠(yuǎn)高于其余三種合金，如表3、表4所示。

表3 應(yīng)變幅為0.75%時(shí)小角晶界和孿晶的比例 %

表4 應(yīng)變幅為0.5%時(shí)小角晶界和孿晶的比例 %

不同磷含量的合金在0.75%應(yīng)變幅下的孿晶和小角晶界分布如圖7所示。

圖7 0.75%應(yīng)變幅下的孿晶和小角晶界

在200ppm的合金中小角晶界完全集中于斷口附近，而其余三者均有較多的小角晶界，這說明200ppm的合金發(fā)生了脆斷，這是其在0.75%應(yīng)變幅上壽命出現(xiàn)反常的原因。

3 結(jié)論

(1)在小應(yīng)變幅和中應(yīng)變幅下，隨著磷含量升高，疲勞壽命先上升，然后下降。在大應(yīng)變幅中(0.75%)，由于200ppm合金發(fā)生脆斷，隨著磷含量升高，疲勞壽命先上升，再快速下降，而后稍有回升。

(2)添加100ppm磷的合金在三種應(yīng)變幅下均擁有較長(zhǎng)疲勞壽命，分別是低磷合金的1.2倍、1.4倍、1.7倍。

(3)磷可使碳化物分布發(fā)生變化，使晶界碳化物減少，晶內(nèi)碳化物增多，裂紋在晶內(nèi)擴(kuò)展受阻，進(jìn)而提升疲勞壽命。

(4)當(dāng)磷含量過高時(shí)，GH984G合金的晶粒尺寸變大，二次裂紋數(shù)量增多，不利于合金的疲勞性能。