制孔工藝對DD6 鎳基單晶高溫合金低周疲勞性能的影響

張志金，張明岐，潘志福

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024）

近年來， 隨著高推比發(fā)動機渦輪進口溫度的不斷提高，對渦輪葉片的高溫性能提出更高要求[1-6]。渦輪葉片材料在不斷升級換代，從變形高溫合金、鑄造等軸晶高溫合金、 定向柱晶高溫合金到現(xiàn)今的鎳基單晶高溫合金。 渦輪葉片是航空發(fā)動機的重要組成部分，直接影響整個發(fā)動機的服役壽命和可靠性，鎳基單晶高溫合金因其良好的耐高溫性能與優(yōu)異的力學性能， 在先進航空發(fā)動機渦輪葉片中應用最為廣泛[7-11]。 在服役過程中，渦輪葉片要經(jīng)歷應力、應變、溫度的循環(huán)作用，必然會產(chǎn)生高應變下的低周疲勞，進而在高溫、高載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂，而低周疲勞是影響渦輪葉片工作可靠性的一種主要失效模式[12]；同時，在渦輪葉片前緣、葉身部位分布大量的氣膜冷卻孔， 由于不同制孔工藝加工的氣膜冷卻孔的表面質(zhì)量及形態(tài)不同， 進而影響葉片的低周疲勞性能。 國內(nèi)外學者針對制孔工藝、孔干涉、取向偏差、孔尺寸等對疲勞性能的影響開展研究[13-17]，但未見不同制孔工藝對鎳基單晶高溫合金低周疲勞性能影響的相關(guān)成果。 DD6 鎳基單晶高溫合金是我國自主研制的第二代鎳基單晶高溫合金， 因優(yōu)異的高溫性能成為先進發(fā)動機渦輪葉片的首選材料[18]，研究不同制孔工藝對DD6 鎳基單晶高溫合金材料低周疲勞性能的影響具有重要意義。

本文針對DD6 鎳基單晶高溫合金材料，研究了電液束加工、電火花成形加工、電火花小孔加工三種不同制孔工藝對其低周疲勞性能的影響。在900 ℃、540 MPa 的條件下測試了不同制孔工藝試件的低周疲勞壽命，并通過觀察疲勞斷口形貌研究了其斷裂機理。

1 試驗材料與方法

試驗材料為國內(nèi)第2 代鎳基單晶高溫合金DD6，晶體取向為[001]方向，取向偏差控制在±5°以內(nèi)，具體成分見表1，在不同溫度下的主要機械性能見表2。

表1 DD6 主要化學成分

表2 不同溫度下DD6 的主要機械性能

表3 不同制孔工藝的低周疲勞壽命單位：h

為了模擬葉片氣膜孔的受力狀態(tài)，采用中心14孔薄壁低周疲勞平板試驗件，如圖1 所示。 試件連接處采用犬骨式過度，有效減少由應力集中而引起的根部斷裂。 標距段分布有三排三角形排布的氣膜孔，尺寸均為φ0.4 mm，分別采用電液束加工、電火花成形加工、電火花小孔加工三種工藝進行加工。

圖1 低周疲勞試件

試驗在液壓伺服疲勞試驗機上完成，試驗溫度為900 ℃，控溫精度為±5 ℃，試驗環(huán)境為空氣。 試驗采用應力控制的加載方式，應力比為0.1，波形為三角波，試驗頻率為3 Hz，最大加載應力為540 MPa。每種工藝取3 個有效疲勞試樣， 并針對試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，利用光學顯微鏡觀察氣膜孔微觀形貌，利用掃描電子顯微鏡觀察疲勞試樣斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同制孔工藝下的氣膜孔微觀形貌

圖2 是電液束加工、電火花成形加工、電火花小孔加工三種制孔工藝加工的氣膜孔微觀形貌。 如圖2a 所示，電液束加工的氣膜孔形狀規(guī)則、邊緣光滑，對邊緣放大觀察可見小孔邊緣無再鑄層、 微裂紋和熱影響區(qū)，能夠滿足高品質(zhì)氣膜孔的設(shè)計要求。如圖2b 所示，電火花成形加工的氣膜孔周圍可見明顯的再鑄層，且厚度分布不均，對氣膜孔邊緣放大觀察可見再鑄層現(xiàn)象較為嚴重， 厚度大約10 μm （圖中A處）。如圖2c 所示，電火花小孔加工的氣膜孔周圍仍可見明顯的再鑄層，且厚度嚴重不均，對小孔邊緣放大觀察可見，與電火花成形加工相比，電火花小孔加工的再鑄層厚度明顯增大，均勻性也變差，厚度大約20 μm 左右（圖中B處）。

圖2 不同制孔方式制得的氣膜孔微觀形貌

2.2 不同制孔工藝下的氣膜孔低周疲勞壽命

條件下的低周疲勞壽命對比。 由表可見，電液束加工的試件疲勞壽命顯著高于其他制孔工藝，且試驗結(jié)果比較穩(wěn)定，平均疲勞壽命為38.63 h。 電液束加工的試件平均疲勞壽命是電火花成形加工試件的2.29 倍，是電火花小孔加工試件的2.4 倍；此外，電火花成形加工、電火花小孔加工的制孔周邊均不可避免地出現(xiàn)不同尺寸的再鑄層，再鑄層使得孔周邊易產(chǎn)生微裂紋，在高溫下這些裂紋迅速擴展從而降低試件疲勞壽命。 由此推斷，再鑄層對試件的低周疲勞壽命有很大的影響。

2.3 不同制孔工藝下的氣膜孔斷口形貌

圖3 是不同制孔工藝試件的宏觀斷口形貌，對比可見不同制孔工藝的宏觀斷口形貌相似，具有大致相同的規(guī)律性。 裂紋均起源于氣膜孔附近，且存在多個裂紋源，由于氣膜孔的存在破壞了試樣表面的結(jié)構(gòu)完整性，在高溫高載荷作用下孔周圍易產(chǎn)生應力集中，從而產(chǎn)生裂紋源并相互連接導致試樣發(fā)生斷裂。

圖3 不同制孔工藝的宏觀斷口形貌

斷口主要包括疲勞裂紋源區(qū)、 擴展區(qū)和瞬斷區(qū)三個區(qū)域，靠近試樣邊緣區(qū)域多為瞬斷區(qū)，其余大部分斷面都是沿著應力加載方向的法向方向斷裂。 氣膜孔周邊可見明顯的放射棱， 這些放射棱是由裂紋擴展形成的，隨后沿著加載方向45°方向擴展，最后裂紋匯聚在一起導致斷裂失效。

圖4 是不同制孔工藝試件的放大斷口形貌，可見不同制孔工藝試件斷口形貌均表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征。 如圖4a 所示，電火花成形加工的氣膜孔周邊可見貝殼狀形貌（圖中A處），且有比較明顯的氧化痕跡，瞬斷區(qū)有明顯的撕裂棱。如圖4a 所示，電火花成形加工的氣膜孔周圍同樣有多處貝殼狀形貌，與電液束試驗件斷口相比，撕裂棱明顯減少，脆性斷裂特征明顯。 如圖4c 所示，電火花小孔加工的氣膜孔內(nèi)壁存有再鑄層剝離， 沿孔徑方向可見明顯的裂紋，且瞬斷區(qū)是典型的脆性斷裂特征。

圖4 不同制孔工藝的微觀斷口形貌

疲勞源位于氣膜孔周邊， 孔周邊可見多處疲勞源，斷裂模式為多源斷裂。 疲勞源較小，由幾個表面較為平坦的放射狀斜面組成， 呈現(xiàn)出微小的臺階形貌，隨后進入相對平坦的裂紋擴展區(qū)。材料本身存在一定的微觀缺陷， 同時氣膜孔的存在破壞了材料本身的完整性， 在疲勞加載過程中易在孔周邊引起應力集中，使得微裂紋易在孔周萌生。 各個裂紋源之間延伸、相交、合并，最終形成貝殼狀斷裂形貌，這是由于疲勞試驗件在交變載荷作用下發(fā)生疲勞裂紋擴展時留下的宏觀痕跡，每周次的應力循環(huán)使裂紋發(fā)生一個微小的擴展，此時在斷口上留下一個較為平坦的弧形斷面，經(jīng)過若干次的交變載荷作用后，在斷口處留下貝殼狀的花紋。 隨著裂紋擴展的進行，試樣的有效承載面積逐步縮小，最后瞬間被拉斷，形成了面積較大的瞬斷區(qū)。

3 結(jié)論

本文研究了電液束加工、電火花成形加工、電火花小孔加工三種制孔工藝對于氣膜孔微觀形貌、低周疲勞壽命、斷口形貌的影響，得到以下結(jié)論：

（1）制孔工藝對DD6 單晶合金低周疲勞壽命有顯著影響，在900 ℃、540 MPa 條件下，電液束加工制孔工藝的平均疲勞壽命是電火花成形加工的2.29倍，是電火花小孔加工的2.4 倍。

（2）不同制孔工藝的試樣斷口特征類似，屬于多源斷裂，斷口主要包括疲勞裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)三個區(qū)域；裂紋均起源于氣膜孔附近，氣膜孔周邊可見明顯的放射棱，沿加載方向45°方向擴展，最后裂紋匯聚在一起導致斷裂失效。

（3）DD6 鎳基單晶高溫合金材料本身存在一定的微觀缺陷，同時氣膜孔的存在破壞了材料本身的完整性，在疲勞加載過程中易在孔周邊引起應力集中，使得微裂紋易在孔周萌生，各個裂紋源之間延伸、相交、合并，最終形成貝殼狀斷裂形貌。