摘 要:采用直流電壓降法對 GH3230合金進行了高溫下的疲勞裂紋擴展試驗,分析了溫度及 應(yīng)力強度因子對 GH3230合金疲勞裂紋擴展速率的影響,并利用掃描電子顯微鏡對斷口進行分 析。結(jié)果表明:在相同的應(yīng)力強度因子下,隨著溫度的升高,合金的裂紋擴展速率增大;溫度從 750 ℃升高到850 ℃時,裂紋擴展速率明顯增大,從850 ℃升高到950 ℃時,小應(yīng)力強度因子下的 裂紋擴展速率相差不大,隨著應(yīng)力強度因子的增大和溫度的升高,裂紋擴展速率的差距增大;觀察 斷口表面可知,在裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū),斷口表面呈現(xiàn)典型的疲勞輝紋和韌窩特征,隨著溫度的升 高,斷口表面的氧化物顆粒增多,裂紋擴展區(qū)的疲勞輝紋不明顯。

關(guān)鍵詞:直流電壓降法;GH3230合金;疲勞裂紋擴展行為

中圖分類號:TL341 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)04-0023-04

鎳基高溫合金具有優(yōu)異的性能,在整個高溫合 金領(lǐng)域占有重要的地位。GH3230合金是我國自主 研制的新一代鎳-鉻基固溶強化型變形高溫合金,其 化學(xué)成分簡單,具有高強度、可焊接、抗氧化等特點, 可用于制備900℃以下長期使用的航空發(fā)動機燃燒室部件和其他高溫環(huán)境中服役的零部件[1]。

某型發(fā)動機的數(shù)臺火焰筒氣膜唇邊和摻混孔均 檢測出了裂紋和掉塊,在飛行過程中可能會威脅飛 行安全,嚴(yán)重影響發(fā)動機的使用壽命,使發(fā)動機的大 修周期顯著縮短。發(fā)動機反復(fù)起動和停車使得火焰 筒承受大小、方向隨時間變化的循環(huán)交變載荷,這是 引起火焰筒產(chǎn)生裂紋和掉塊的主要原因[2]。為了保 障航空發(fā)動機的服役安全,研究火焰筒材料在服役 條件下的疲勞裂紋擴展行為具有重要意義,而國內(nèi) 目前針對 GH3230合金高溫裂紋擴展行為的研究 較少。

筆者利用直流電壓降法對 GH3230 合金開展 了750,850,950 ℃ 下 的 疲 勞 裂 紋 擴 展 試 驗,得 到 GH3230合金穩(wěn)定裂紋擴展區(qū)的 Paris擬合公式,并 采用斷口定量反推的方法對得到的試驗結(jié)果進行驗 證,進一步分析了不同溫度對材料裂紋擴展速率的 影響。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口,分析 了合金的斷裂模式及損傷機理,研究結(jié)果可為火焰 筒的安全可靠應(yīng)用和壽命預(yù)測提供試驗基礎(chǔ)和理論 支持。

1 試驗方法

1.1 化學(xué)成分分析及拉伸試驗方法

從某型發(fā)動機燃燒室內(nèi)機匣取樣制成 GH3230 合金裂紋擴展試樣,成型工藝為鍛造,其合金成分如 表1所示。由表 1 可知,與其他高溫合金相比,該 GH3230合金試樣中加入了大量的鎢元素,鎢元素 主要溶解于γ基體中,少量進入碳化物中。

GH3230 合金試樣的顯微組織形貌如圖 1 所 示,由圖 1 可 知,該 試 樣 的 顯 微 組 織 晶 粒 度 約 為 6.5級,晶界處存在大量顆粒狀 M23C6(某類碳化物 的總稱),有利于限制晶界遷移,降低裂紋的延晶擴 展速率。

GH3230合金試樣在750~950 ℃下的拉伸試驗 結(jié)果(每個溫度點測試7根試樣,取平均值)如表2所 示。高溫拉伸試驗依照 HB5195—1996《金屬高溫拉 伸試驗方法》進行。由表2可知,在750~950 ℃下, 隨著溫度的升高,GH3230合金的抗拉強度、屈服強 度均減小,斷面收縮率、斷后伸長率均增大,彈性模量 在750℃與850 ℃時相差不大,甚至在850 ℃時更 大,在950℃時的彈性模量明顯減小,表明在950 ℃ 時材料的剛度降低,原子間結(jié)合力變?nèi)酢?

1.2 疲勞裂紋擴展試驗方法

疲勞裂紋擴展試樣采用標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試樣,寬 度為50mm,厚度為12.5 mm,試樣的宏觀形貌如 圖2所示。

一般采用傳統(tǒng)的顯微鏡來測量疲勞裂紋長度,這種方法直觀、簡單、成本較低,但是在高溫下,需采用 長焦距顯微鏡測量裂紋長度,而試樣表面的氧化程度 很高,很難看清裂紋,容易帶來人為測量誤差,因此采 用直流電壓降法對試樣的裂紋長度進行測量。

直流電 壓 降 法 測 量 裂 紋 長 度 (DCPD)的 原 理 為:在試樣的兩端施加高穩(wěn)定、高精度的恒定電流, 使之在試樣厚度方向上產(chǎn)生恒定的二維電場。在試 驗過程中,隨著裂紋的擴展,導(dǎo)通截面不斷縮小,電阻不斷增加,在恒定電流下,裂紋面兩端的電位或電 壓降將隨裂紋尺寸的增加而增加。利用裂紋面兩端 的電位差與裂紋擴展長度之間的函數(shù)關(guān)系,將所測 量的電位轉(zhuǎn)換成等效的裂紋長度。對于緊湊拉伸試 樣,裂紋長度計算方法如式(1)所示。

其中

式中:a 為試樣的裂紋長度;W 為試樣寬度;U 為當(dāng) 前試樣裂紋面兩端的電位;2Y 為裂紋面兩端測量電 位點間的距離;a0 為試樣的初始裂紋長度。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T6398—2000《金屬材料疲勞裂 紋擴展速率試驗方法》的要求進行試驗,試驗設(shè)備 為:MTSlandmark370 型 電 液 伺 服 疲 勞 試 驗 機, Flextest40型控制系統(tǒng),MTSDCPD型恒流源及電 壓測量系統(tǒng),試驗機載荷傳感器精度為0.5級,波形 為正 弦 波,頻 率 為 10 Hz。試 驗 溫 度 為 750,850, 950 ℃,在每個溫度下測試3個試樣。

2 試驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

2.1 疲勞裂紋擴展性能

疲勞裂紋擴展速率是反映有裂紋的構(gòu)件抗疲勞 斷裂性能的一個重要指標(biāo),也是估算構(gòu)件剩余疲勞 壽命必不可少的參數(shù),一般使用應(yīng)力強度因子幅度 ΔK 來定量描述疲勞裂紋擴展速率。完整的疲勞裂 紋擴展速率曲線包括3部分:近門檻區(qū)、裂紋穩(wěn)態(tài)擴 展區(qū)和裂紋快速擴展區(qū)(瞬斷區(qū))。Paris公式適用于穩(wěn)態(tài)擴展區(qū),通常用來表征穩(wěn)態(tài)擴展階段的疲勞 裂紋擴展速率,如式(4)所示。

式中:C,n 為擬合常數(shù);N 為循環(huán)次數(shù)。

采用割線法對裂紋擴展試驗數(shù)據(jù)進行處理,以 確定裂紋擴展速率,采用 Paris公式對裂紋擴展速 率進行擬合,得到 GH3230合金在不同溫度下穩(wěn)態(tài) 擴展階段的da/dN-ΔK 關(guān)系,結(jié)果如表3所示。

對比不同溫度下的疲勞裂紋擴展速率可知,隨 著溫度的升高,裂紋擴展速率越來越大,抗裂紋擴展 能力降低。這是由于在裂紋擴展過程中,隨著溫度 的升高,材料的屈服強度下降,同樣外載荷下裂紋前 沿的塑性變形增加,循環(huán)載荷下裂紋塑性區(qū)內(nèi)的變 形增大了裂紋的擴展速率。另外,溫度越高,晶界間 的結(jié)合力減小,也會增大疲勞裂紋的擴展速率。

從裂紋擴 展 速 率 的 增 加 幅 度 看,從 750 ℃ 到 850 ℃,隨著 ΔK 的不斷增大,裂紋擴展速率的差 距逐漸減小;當(dāng)溫度從850 ℃升高到950 ℃時,兩 種材料的疲勞裂紋擴展速率在小應(yīng)力強度因子下 差距 較 小,ΔK 越 大,差 距 越 大。 從 750 ℃ 到 850 ℃,由溫度變化引起的其他損傷對裂紋擴展速 率的影響更大,從850 ℃到950 ℃,應(yīng)力強度因子 的變化對疲 勞 裂 紋 擴 展 速 率 起 到 了 更 大 的 作 用, 在950 ℃下,屈 服 強 度 與 彈 性 模 量 的 急 速 減 小 會 增大裂紋擴展速率。

GH3230合金在不同溫度下的裂紋擴展速率如 圖3所示,由圖3可知,950 ℃下 GH3230合金疲勞。試 樣 的 抗 斷 裂 性 能 也 急 劇 下 降,在 ΔK 約 為 15MPa·m 1 2 時,其 已 接 近 斷 裂;而 在 750 ℃ 和 850 ℃時,斷裂時的 ΔK 約為25MPa·m 1 2 。

2.2 疲勞裂紋擴展斷口特征

GH3230合金試樣疲勞裂紋擴展斷口微觀形貌 如圖4所示,斷口可分為裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。 在疲勞裂紋擴展試驗中,試樣受交變應(yīng)力循環(huán)加載, 裂紋尖端存在晶體沿某些特定易滑移面滑移的現(xiàn)象, 導(dǎo)致疲勞輝紋的形成,在交變載荷作用下,裂紋在擴 展區(qū)內(nèi)以疲勞輝紋的形式不斷擴展,有效承載面積不 斷減小,直至試樣最終斷裂。由圖4a)~4c)可知:在 這3個溫度時,疲勞裂紋擴展區(qū)都可見疲勞輝紋,溫 度越高,疲勞輝紋越不明顯;晶界結(jié)合力下降,裂紋擴 展加速。從圖4d)~4f)可知,瞬斷區(qū)斷口表面粗糙, 呈現(xiàn)典型的韌窩特征,韌窩里有破碎的碳化物顆粒。

3 結(jié)論

(1)在溫度為 750~950 ℃ 時,隨著溫度的升 高,GH3230合金的抗拉強度、屈服強度、彈性模量 均減小,斷面收縮率、斷后伸長率均增大。

(2)GH3230合金疲勞裂紋擴展速率隨溫度的 升高而增大,從750℃到850℃,裂紋擴展速率增大 明顯;從850℃到950℃時,其裂紋擴展速率在小應(yīng) 力強度因子水平下差距較小,在大應(yīng)力強度因子下, 950 ℃時的裂紋擴展速率比850 ℃時大。

(3)GH3230合金疲勞裂紋擴展試樣斷口可分 為裂紋穩(wěn)態(tài)擴展區(qū)和瞬斷區(qū),隨著溫度的升高,斷口 表面的氧化物顆粒越多,裂紋擴展區(qū)疲勞輝紋越不 明顯;在瞬斷區(qū)都表現(xiàn)為明顯的韌窩特征,韌窩內(nèi)有 破碎的碳化物顆粒。

參考文獻:

[1] 李全通,景小寧.某型發(fā)動機火焰筒熱彈塑性/蠕變 應(yīng)力分析[J].燃氣渦輪試驗與研究,1999,12(1):40- 43.

[2] 郭運強,張克實,耿小亮,等.航空發(fā)動機火焰筒疲勞 裂紋擴展規(guī)律[J].航空制造技術(shù),2006,49(12):80- 82.

<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>4期(pp:23-26)>