激光標(biāo)刻對(duì)GH4169合金疲勞性能的影響

回麗, 姜云龍, 安金嵐, 周松*, 曾泓潤(rùn)

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110136; 2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué), 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 沈陽(yáng) 110136; 3.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 成都 610000)

GH4169合金具有優(yōu)秀的力學(xué)性能、耐腐蝕性和抗氧化性,是航空工業(yè)領(lǐng)域中緊固連接件、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等高溫部件中應(yīng)用最為廣泛的鎳基高溫合金,其服役過(guò)程中的主要失效形式為疲勞斷裂。航空用GH4169合金部件在高溫、高壓、交變載荷長(zhǎng)期激勵(lì)等復(fù)雜環(huán)境中服役雖然能夠擁有較高的強(qiáng)度、良好的抗蠕變性能和較長(zhǎng)的疲勞壽命,但在長(zhǎng)期交變載荷的作用下易造成高周疲勞損傷,嚴(yán)重影響部件的服役壽命[1]。金屬標(biāo)刻技術(shù)在航空領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用,擁有能追根溯源、快速識(shí)別、快速排查故障、便于分類儲(chǔ)存與管理等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。激光標(biāo)刻是利用一種高能量密度的激光對(duì)試樣進(jìn)行非接觸加工的一種工藝方法,精密性高且熱變形小,可以打出各種文字、符號(hào)等信息,加工效率高,質(zhì)量好,對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理有特殊的意義。激光標(biāo)刻往往標(biāo)刻在非傳力部分的側(cè)面或底面上,但在航空工業(yè)使用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)部分緊固件、連接件等零部件中存在標(biāo)刻處產(chǎn)生裂紋、斷裂等失效情況發(fā)生,為此現(xiàn)以GH4169合金為研究對(duì)象,對(duì)激光標(biāo)刻后的合金性能和斷裂機(jī)理進(jìn)行研究。

激光標(biāo)刻處理后,相當(dāng)于在金屬零件表面引入缺陷,在部件制作過(guò)程中采用上述標(biāo)刻方法,會(huì)在部件表面產(chǎn)生不同程度、不同類型的表面缺陷,降低表面質(zhì)量,影響部件的使用壽命[2-3]。鄧娟等[4]、孫凱等[5]針對(duì)GH4169鍛件中的缺陷問(wèn)題,通過(guò)觀察微觀組織等方法,具體闡述了缺陷的產(chǎn)生機(jī)理和檢測(cè)方法。Ghiaasiaan等[6]對(duì)比了增材制造的IN718和IN625高溫下的疲勞性能,研究發(fā)現(xiàn)兩個(gè)合金出現(xiàn)相似的缺陷特征和相貌,激光粉末床熔合下的IN718疲勞性能較差。Yu等[7]以激光熔煉的IN718為研究對(duì)象,進(jìn)行了超聲疲勞試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)試樣的疲勞性能比拉伸性能對(duì)缺陷更為敏感,并從斷裂力學(xué)的角度分析了缺陷對(duì)斷裂行為的影響。靖雅等[8]利用累積塑性滑移和能量耗散特性研究分析了缺口尺寸對(duì)疲勞裂紋萌生壽命的影響,結(jié)果表明缺口尺寸較小時(shí),隨著缺口尺寸的增加,試樣疲勞裂紋萌生壽命顯著降低直到缺口尺寸達(dá)到臨界缺口時(shí),壽命幾乎不再受缺口影響。姜松濤[9]通激光標(biāo)刻技術(shù)制備了6061鋁合金超疏水表面,并對(duì)其試樣進(jìn)行了表面表征的分析,進(jìn)行了相關(guān)表面質(zhì)量的測(cè)試,通過(guò)試驗(yàn)使其表面的機(jī)械穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。

綜上,目前針對(duì)激光標(biāo)刻工藝的研究主要集中在參數(shù)優(yōu)化、標(biāo)刻識(shí)別率以及標(biāo)刻效率上,對(duì)其引起力學(xué)性能變化的有關(guān)報(bào)道較少。而目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)含缺陷的GH4169合金疲勞性能的研究具有相當(dāng)?shù)闹匾?卻很少涉及激光標(biāo)刻為缺口源的疲勞性能研究,且在實(shí)際航空器維護(hù)中確切發(fā)現(xiàn)了部件在標(biāo)刻處發(fā)生疲勞斷裂的情況。為此,現(xiàn)重點(diǎn)研究激光標(biāo)刻后GH4169合金的疲勞性能變化,從力學(xué)性能和微觀組織性能角度,分析激光標(biāo)刻工藝對(duì)合金疲勞性能和斷裂機(jī)理的影響,為激光標(biāo)刻的選用提供新的依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)(1 050 ℃,1 h,空冷,720 ℃,8 h,爐冷,50 ℃/h速率冷卻至620 ℃后,620 ℃,8 h,空冷)GH4169合金的板狀材料試驗(yàn)件,試樣具體尺寸如圖1所示,板樣厚度為2 mm,其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。將標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的樣品分為兩組,其中試驗(yàn)件分別進(jìn)行未標(biāo)刻、激光標(biāo)刻,每組6根試樣進(jìn)行對(duì)比分析。激光標(biāo)刻機(jī)參數(shù)為速度:450 mm/s、功率:25%、頻率:20 kHz。試驗(yàn)件標(biāo)刻平均深度為25 μm左右,標(biāo)刻內(nèi)容選用易造成損傷缺陷的字符進(jìn)行標(biāo)刻,如:M、G、B、9等,各式樣標(biāo)刻工藝參數(shù)、標(biāo)刻位置及標(biāo)刻內(nèi)容均一致相同。

高周疲勞試驗(yàn)在 QBG-100 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)按照金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法(HB 5287—1996)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加載。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,高周疲勞試驗(yàn)機(jī)加載為頻率120 Hz,施加波形為正弦波形,應(yīng)力比為0.06。利用光學(xué)顯微鏡(OLYMPUS GX51OM)觀察GH4169標(biāo)刻處合金組織。利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌以及合金微觀組織。

圖1 疲勞試樣尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of fatigue sample size

表1 GH4169合金主要化學(xué)成分表Table 1 Chemical compositions of GH4169 alloy

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

GH4169合金經(jīng)過(guò)激光標(biāo)刻工藝加工后,通過(guò)圖2可以看出激光標(biāo)刻后的缺口平均深度為25 μm左右。通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得GH4169合金未標(biāo)刻、激光標(biāo)刻試樣在室溫環(huán)境中抗拉強(qiáng)度均在1 400 MPa左右。疲勞試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,疲勞試驗(yàn)加載的應(yīng)力選用GH4169合金抗拉強(qiáng)度的60%進(jìn)行,未標(biāo)刻GH4169合金試樣的中值疲勞壽命為219×103cyc(循環(huán)次數(shù)),激光標(biāo)刻試樣的中值疲勞壽命為37×103cyc,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 激光標(biāo)刻側(cè)面OM圖Fig.2 Laser marking OM diagram of sample side

表2 GH4169合金高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of high cycle fatigue test results of GH4169 alloy

由此可見(jiàn),GH4169合金經(jīng)過(guò)激光標(biāo)刻工藝加工后,試樣的高周中值疲勞壽命下降的較為明顯,激光標(biāo)刻后中值疲勞壽命較未標(biāo)刻的試樣相比下降了83%,針對(duì)GH4169合金經(jīng)過(guò)激光標(biāo)刻工藝加工后性能有不同程度下降的現(xiàn)象,對(duì)合金的顯微組織和高周疲勞斷口進(jìn)一步分析,探究其影響因素及規(guī)律。

2.2 激光標(biāo)刻下的GH4169合金微觀組織

從圖2中可以看出激光標(biāo)刻其斷口側(cè)面圖中標(biāo)刻深度較深,標(biāo)刻處缺口寬度大,但在標(biāo)刻尖端處較為尖銳,且標(biāo)刻缺口穿過(guò)、破壞了部分晶格,這些條件都為裂紋的快速擴(kuò)展和萌生提供了更多的可能性。激光標(biāo)刻加工過(guò)程中,被加工金屬處于熔融狀態(tài),而進(jìn)行深標(biāo)刻加工時(shí)能量效率高、聚集時(shí)間久,造成標(biāo)刻缺口中間寬度較大,缺口底端呈尖銳狀。

利用掃描電鏡對(duì)激光標(biāo)刻側(cè)面進(jìn)一步進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)圖3標(biāo)刻缺口呈中間寬度較大的倒圓錐狀,底部較為尖銳。激光加工技術(shù)是一種利用高能量光束作用于被加工件的技術(shù),在激光標(biāo)刻加工過(guò)程中,因其加工在局部位置上,會(huì)對(duì)該加工位置的組織性能產(chǎn)生影響。高能量的光束在試樣局部產(chǎn)生大量的熱量,使得工件表面材料經(jīng)歷過(guò)一次快速熔化和凝固的過(guò)程,最終在試樣表面形成重熔層。產(chǎn)生的重熔層在試樣表面使得晶粒得到細(xì)化,應(yīng)力狀態(tài)改變[10-12],從圖3可以看出激光標(biāo)刻重熔層厚度為20 μm作左右激光標(biāo)刻的重熔層質(zhì)地較為均勻,細(xì)化的晶粒對(duì)合金起到強(qiáng)化作用,但激光標(biāo)刻后的缺口處存在較大應(yīng)力集中[13],為疲勞裂紋的擴(kuò)展提供了優(yōu)先擴(kuò)展的路徑,標(biāo)刻缺口的尖端已經(jīng)破壞了金屬穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),為疲勞試驗(yàn)提供了初始的裂紋痕跡和擴(kuò)展的能量。

圖3 激光標(biāo)刻下的重熔層SEM圖Fig.3 SEM diagram of remelting layer under laser marking

3 分析與討論

3.1 激光標(biāo)刻對(duì)GH4169合金疲勞裂紋萌生的影響

一般情況下,GH4169合金疲勞裂紋在壽命為107周次以下時(shí)萌生于試樣表面[14]。激光標(biāo)刻為裂紋萌生提供了萌生和擴(kuò)展的路徑,標(biāo)刻處所產(chǎn)生的缺口可以看作是預(yù)制缺陷,破壞了合金原本的微觀組織結(jié)構(gòu),產(chǎn)生重熔層且標(biāo)刻底端尖銳,易形成高應(yīng)力集中。圖4為未標(biāo)刻和激光標(biāo)刻宏觀疲勞斷口圖。斷口呈發(fā)散狀,且由于裂紋在該區(qū)域擴(kuò)展較慢且平穩(wěn)使得斷面較為平滑,是單一裂紋源,而激光標(biāo)刻裂紋源由多個(gè)裂紋源共同組成,且各個(gè)裂紋源深淺不一,形貌相對(duì)較為粗糙,這是由于標(biāo)刻萌生出的裂紋不在同一個(gè)平面所致,從掃描電鏡圖中可以看出裂紋萌生路徑交錯(cuò)發(fā)散。未標(biāo)刻試樣件表面較為平滑完整,使得裂紋在光滑的金屬表面萌生,而激光標(biāo)刻試驗(yàn)件由于標(biāo)刻深度較深,形狀為錐形且缺口不平滑易產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋在標(biāo)刻處萌生的概率大大增加,這為多源裂紋的萌生多樣性提供了更多的可能。

圖5所示分別為未標(biāo)刻及激光標(biāo)刻工藝下的GH4169合金裂紋萌生區(qū)斷口形貌。金屬材料的高周疲勞裂紋萌生方式與循環(huán)載荷下的塑性變形有關(guān),疲勞裂紋總是開(kāi)始于應(yīng)力最高、強(qiáng)度最低的基體或試樣表面上。由于激光標(biāo)刻的標(biāo)刻字符、深度不同其疲勞源區(qū)的形狀也存在差異,激光標(biāo)刻造成的缺口會(huì)在高周循環(huán)載荷的作用下,加快材料內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),最終導(dǎo)致標(biāo)刻尖端處形成較大的應(yīng)力集中,進(jìn)而加快裂紋萌生的速度,其引起產(chǎn)生的微裂紋快速集合最終加快裂紋的擴(kuò)展速度[15]。在GH4169合金承受高周次循環(huán)應(yīng)力加載過(guò)程中,激光標(biāo)刻工藝造成的不同程度的缺口均導(dǎo)致裂紋的萌生。激光標(biāo)刻缺口處的形貌粗糙,缺口處更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中,且應(yīng)力集中情況復(fù)雜,這種密集、復(fù)雜的局部應(yīng)力集中加快了塑性變形集中引起的裂紋萌生,使得激光標(biāo)刻加工的GH4169合金裂紋萌生速度快,疲勞性能降低。

相關(guān)研究表明,GH4169合金裂紋主要以穿晶的模式萌生和擴(kuò)展,并在疲勞擴(kuò)展區(qū)有準(zhǔn)解理斷裂特征[16-17]。當(dāng)晶界與標(biāo)印尖端呈較小的角度時(shí),晶界對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展的阻礙作用很小;當(dāng)裂紋或標(biāo)印尖端突破晶界的阻礙進(jìn)入晶粒內(nèi)部時(shí),裂紋擴(kuò)展速率顯著增長(zhǎng),標(biāo)刻尖端穿過(guò)、撕裂了多個(gè)晶胞的晶界,破壞原本穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu),而該合金在室溫下常以穿晶的模式萌生和擴(kuò)展,致使激光標(biāo)刻試樣在萌生初期,可以以較少的能量進(jìn)行萌生,而未標(biāo)印試樣裂紋萌生處形貌相對(duì)光滑和平整,使得裂紋萌生時(shí)需要更多的能量,萌生期疲勞壽命較高。

3.2 激光標(biāo)刻對(duì)GH4169合金疲勞裂紋擴(kuò)展初期的影響

GH4169合金在激光標(biāo)刻下的疲勞擴(kuò)展區(qū)初期斷口圖如圖6所示,可以看到在該區(qū)域出現(xiàn)明顯的疲勞輝紋,成不同走向的河流狀花紋分布在基體上。未標(biāo)刻試樣疲勞條帶間距最小,裂紋在此階段穩(wěn)定擴(kuò)展,形貌清晰。激光標(biāo)刻試樣的裂紋疲勞條帶間距較未標(biāo)刻試樣較大,相鄰條紋之間高度差異較大,γ″相對(duì)晶界釘扎作用下降,致使位錯(cuò)在滑移帶中的運(yùn)動(dòng)變得容易,裂紋擴(kuò)展到強(qiáng)化相γ′或大顆碳化物時(shí)會(huì)繞過(guò)其擴(kuò)展,并在粒子前形成疲勞輝紋,整個(gè)疲勞裂紋的擴(kuò)展路徑因此變得曲折,標(biāo)刻試樣裂紋在多個(gè)維度不同平面間進(jìn)行擴(kuò)展,擴(kuò)展速率比未標(biāo)刻試樣擴(kuò)展較快。

激光標(biāo)刻試樣的擴(kuò)展初期圖如圖6(b)所示,相鄰條帶之間的高度差變大,疲勞條帶寬度對(duì)應(yīng)每一循環(huán)周次的裂紋擴(kuò)展量,因此激光標(biāo)刻試樣在裂紋擴(kuò)展區(qū)初期歷經(jīng)的周期明顯低于未標(biāo)印試樣。激光標(biāo)刻試樣裂紋有多個(gè)不同的裂紋源延伸而出,這些萌生出的裂紋不在同一個(gè)平面上,在擴(kuò)展初期匯合后出現(xiàn)臺(tái)階狀和脊?fàn)钚螒B(tài),形貌較為粗糙。激光標(biāo)刻試樣裂紋尖端的較高應(yīng)力集中導(dǎo)致碳化物本身或其與基體的相界面開(kāi)裂,使得產(chǎn)生二次裂紋較為容易。由于疲勞斷裂過(guò)程中,合金的疲勞壽命主要以裂紋的萌生周期為主,擴(kuò)展區(qū)歷經(jīng)周期較短,瞬斷區(qū)為瞬時(shí)斷裂而產(chǎn)生的,對(duì)合金試樣的高周疲勞壽命幾乎不產(chǎn)生影響。綜合以上疲勞斷裂特征,激光標(biāo)刻后的試樣裂紋萌生、擴(kuò)展初期的周期均短于未標(biāo)刻試樣,最終使得激光標(biāo)刻試樣高周疲勞性能下降明顯。

4 結(jié)論

(1)未標(biāo)刻試樣的中值疲勞壽命為219×103cyc,經(jīng)過(guò)激光標(biāo)刻后中值疲勞壽命為37×103cyc。GH4169合金經(jīng)過(guò)激光標(biāo)刻工藝加工后,試樣的高周中值疲勞壽命下降的較為明顯,激光標(biāo)刻后中值疲勞壽命較未標(biāo)刻的試樣相比下降了83%,對(duì)該合金試樣的疲勞影響程度較大。

(2)激光標(biāo)刻缺口形狀向著倒圓錐形發(fā)展且形貌粗糙度大,同時(shí)激光標(biāo)刻會(huì)在合金表面產(chǎn)生激光重熔層改變合金表面應(yīng)力狀態(tài),其前端缺口引起將高應(yīng)力集中,裂紋在此更容易萌生,合金強(qiáng)度降低,導(dǎo)致疲勞壽命下降。

(3)GH4169合金表面經(jīng)過(guò)激光標(biāo)刻后,疲勞斷口與未標(biāo)刻試樣相比較為粗糙,疲勞源區(qū)由多個(gè)裂紋源共同組成其形貌,裂紋萌生所需要的周期變短。在疲勞擴(kuò)展區(qū)初期階段,疲勞條紋間距變大,多源裂紋在疲勞擴(kuò)展區(qū)匯合后出現(xiàn)臺(tái)階狀和脊?fàn)钚螒B(tài),這些因素使得其疲勞性能有所下降。