高溫合金IC10的疲勞行為研究

暢一鵬，張宏建，盧孔漢，溫衛(wèi)東，崔海濤

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

IC10合金是我國研制的新一代Ni3Al基定向凝固高溫合金，具有密度低，比強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高，抗高溫氧化性好的特點(diǎn)。目前已被應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的渦輪導(dǎo)向葉片和其他高溫結(jié)構(gòu)件[1]。由于高溫低周疲勞是熱端部件在惡劣工作環(huán)境中主要的承載形式之一，熱端部件在長時(shí)間的高溫環(huán)境服役時(shí)，疲勞損傷引起的失效問題占零部件總失效問題的六成左右[2]。因此，開展IC10在高溫環(huán)境下疲勞行為研究有助于完善材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)分析以及提高材料的工程應(yīng)用價(jià)值。

鎳基高溫合金在進(jìn)行高溫低周疲勞試驗(yàn)時(shí)，由于溫度、循環(huán)載荷以及其他環(huán)境因素的作用，材料往往表現(xiàn)出異于常溫狀態(tài)下的力學(xué)行為[3]。近些年來國內(nèi)許多學(xué)者對高溫合金的疲勞行為以及本構(gòu)關(guān)系開展了大量研究，張仕朝[4]在進(jìn)行GH3030合金循環(huán)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不同的應(yīng)變比下循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生一定程度上的平移，但是曲線形狀不會(huì)改變。安金嵐[5]研究發(fā)現(xiàn)GH4169合金在高溫低周疲勞試驗(yàn)中發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象。肖磊[6]等發(fā)現(xiàn)，高溫合金WZ4在980 ℃下均表現(xiàn)循環(huán)穩(wěn)定特征，其中循環(huán)軟化與循環(huán)硬化二者達(dá)到了動(dòng)態(tài)均衡效果。

本文開展了IC10合金在600 ℃下應(yīng)變水平為0.75%、0.85%以及1.00%的拉-壓循環(huán)試驗(yàn)研究，并對其斷口進(jìn)行了微觀觀測分析，判斷其失效機(jī)理。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文研究對象為IC10合金，屬于定向凝固高溫合金，該類合金的相主要是分為基體相γ相和強(qiáng)化相γ′相，此外還有葵花狀的共晶相γ+γ′，骨架狀的碳化物MC(1)和在共晶附近塊狀的MC(2)。IC10合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 IC10合金質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

試樣設(shè)計(jì)參照《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法GB/T4338-2006》和《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向應(yīng)變控制方法》，并結(jié)合疲勞試驗(yàn)機(jī)MTS-370，試樣總長為102mm，標(biāo)距段長為14mm，標(biāo)距段直徑為5.5mm，試樣夾持端和夾具采用螺紋連接。具體尺寸及形位公差如圖1所示。

IC10合金600℃的恒溫疲勞試驗(yàn)的熱環(huán)境通過高溫環(huán)境箱實(shí)現(xiàn)。在加熱到指定溫度后保溫30min，使試樣溫度均勻分布以防止疲勞試驗(yàn)過程中產(chǎn)生較大的熱梯度。

圖1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)圖

2 疲勞循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線

IC10合金600℃恒溫低周疲勞試驗(yàn)，采用軸向應(yīng)變控制，加載應(yīng)變速率為6.0×10-3s-1，應(yīng)變比R=-1，加載波形為三角波，應(yīng)變水平分別為Δεt/2等于0.75%、0.85%和1.00%，試驗(yàn)終止條件為試樣斷裂或最大應(yīng)力下降30%。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 IC10合金600℃下的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2中可知：LCF(低周疲勞)試驗(yàn)單個(gè)循環(huán)內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變保持著良好單調(diào)變化關(guān)系，應(yīng)力值始終隨著應(yīng)變加載而增大，隨著應(yīng)變卸載而減小。隨著應(yīng)變水平的增加，材料循環(huán)的遲滯特征愈發(fā)明顯，隨著循環(huán)周次的增加，材料的應(yīng)力逐漸增大，表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化特征，并且循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出拉-壓不對稱。

由圖3可知：在3種載荷水平下，IC10合金循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征基本相同，均表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化，隨后保持循環(huán)穩(wěn)定并在最終斷裂前出現(xiàn)應(yīng)力突降。造成這種破壞的主要原因是：IC10合金的微觀結(jié)構(gòu)中除了γ′相外還存在相當(dāng)數(shù)量的γ相。材料在承受低周疲勞載荷作用時(shí)，位錯(cuò)在γ相上大量出現(xiàn)，隨著變形的不斷重復(fù)，在胞壁上位錯(cuò)的增值以及位錯(cuò)與強(qiáng)化相之間的交互作用對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙，應(yīng)力也隨之逐步增大，增大了材料的變形抗性，在宏觀上表現(xiàn)為所需外加載荷隨循環(huán)數(shù)增加而增大。于慧臣[7]指出鎳基定向凝固合金在760℃以下表現(xiàn)為宏觀硬化主要與基體相中的位錯(cuò)纏結(jié)有關(guān)，楊功顯[8]等則認(rèn)為，鎳基合金在不同溫度下的循環(huán)硬化現(xiàn)象主要與位錯(cuò)切割機(jī)制相關(guān)。

圖3 IC10合金600 ℃下的峰谷值應(yīng)力曲線

3 斷裂特性分析

圖4為各個(gè)應(yīng)變水平下試樣的宏觀斷口示意圖，對其進(jìn)行目測分析，可以得到：在0.75%應(yīng)變水平下，斷口表面較為光滑且平整，有金屬光澤，呈現(xiàn)為V型試樣斷口;而在0.85%、1.00%應(yīng)變水平下，斷口表面不平整且粗糙，呈現(xiàn)為斜斷口，并帶有不同程度的花紋狀，這表明疲勞應(yīng)力越大，單次造成的破壞越大，表面越粗糙。

圖4 不同應(yīng)變水平下的宏觀斷口圖

為進(jìn)一步研究IC10疲勞的斷裂機(jī)理，本文對各個(gè)應(yīng)變水平下試件斷口進(jìn)行SEM觀測，圖5為樣品的斷口形貌圖。

圖5(a)-圖5(c)為應(yīng)變水平為0.75%的不同放大倍數(shù)的斷口形貌圖，其中低、中倍下可以明顯觀察到斷口存在大量滑移線，主要為拉壓循環(huán)中斷面之間相互摩擦導(dǎo)致；同時(shí)也可以明顯觀測到斷面分布較多的裂紋與空洞的微觀形貌。放大倍數(shù)則可以明顯看到在微孔旁邊產(chǎn)生大量的裂紋，這表明合金在未形成裂紋前隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不斷產(chǎn)生滑移，當(dāng)循環(huán)到一定程度時(shí)由于滑移擠壓導(dǎo)致心部產(chǎn)生了裂紋和微孔從而斷裂。

圖5(d)-圖5(i)為應(yīng)變水平為0.85%及1.00%的斷口形貌圖，其中在低倍下存在大量的臺階形貌，并且臺階的高度差較大，同時(shí)伴隨著部分舌狀花樣；在中、高倍下可以看到裂紋沿晶粒內(nèi)部穿過，為明顯的穿晶斷裂，斷口存在部分韌窩，隨著應(yīng)變水平的增加，韌窩數(shù)量增加，較為緊密。這表明斷裂主要以穿晶斷裂為主，同時(shí)伴隨著少量的韌窩聚集型斷裂。

以上分析表明：IC10合金在低應(yīng)變水平循環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要以疲勞斷裂為主，在周期性載荷下發(fā)生局部滑移現(xiàn)象，并且滑移面取向呈現(xiàn)45°夾角，晶粒斷面沿平面延伸，同時(shí)由于內(nèi)部擠壓產(chǎn)生顯微空穴以及裂紋，并且裂紋逐漸擴(kuò)展直至斷裂。隨著應(yīng)變水平的提高，材料的滑移水平不斷提升，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)急劇增加，導(dǎo)致晶粒強(qiáng)度下降，裂紋從晶粒內(nèi)部萌生，從而導(dǎo)致穿晶斷裂，同時(shí)在基體與晶粒之間大量的位錯(cuò)塞積、聚合產(chǎn)生如圖5(f)和圖5(h)中明顯可見的微孔洞，隨著循環(huán)的增加，孔洞逐漸生長聚集造成部分韌窩的產(chǎn)生。因此IC10合金主要表現(xiàn)為宏觀上延性穿晶斷裂，微觀上，在低應(yīng)變水平下主要以滑移條帶為主，隨著應(yīng)變水平的增加，逐漸表現(xiàn)為微孔聚合型斷裂。

圖5 斷口微觀形貌圖

4 結(jié)語

本文針對IC10合金開展了600℃高溫環(huán)境下的低周疲勞試驗(yàn)研究，分析了材料的力學(xué)行為與斷裂機(jī)制，

1) IC10高溫合金在單個(gè)載荷內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變保持單調(diào)變化關(guān)系，循環(huán)響應(yīng)遲滯回線關(guān)于原點(diǎn)不對稱。在整體壽命周期內(nèi)，循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為初始循環(huán)硬化后進(jìn)入循環(huán)穩(wěn)定階段，并在最終斷裂前出現(xiàn)應(yīng)力下降情況。IC10合金在承受低周疲勞載荷作用時(shí)，大量位錯(cuò)集中于基體γ相，隨著循環(huán)的進(jìn)行，胞壁位錯(cuò)密度增大，在宏觀上表現(xiàn)為所需的外載荷隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大。

2) IC10合金呈現(xiàn)出多種疲勞裂紋特征。在低應(yīng)變水平下，材料斷口表面光滑平整，且具有大量的滑移線；而在高應(yīng)變水平下，材料表面粗糙且凹凸，微觀上存在韌窩以及二次裂紋等，這主要與晶粒內(nèi)部位錯(cuò)的增加以及晶界處微孔的產(chǎn)生有關(guān)。