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D8单晶镍基高温合金的热机械疲劳

第39卷第9期金扁学垃Vol?39N。9

2003年9月903907页ACTAMETALLURGICASINICASept.2003PP

903—907DD8单晶镍基高温合金的热机械疲劳

王跃臣李守新艾素华刘峰剥、晓峰管恒荣王中光

(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,沈阳110016)摘要对DD8旨金进行r同位相(IP)々反位卡}j(DP)热机械疲劳(TMF)蛮验结果表州:当“机械应变幅作为参量时,在高冉窆幅F.IP疲劳寿命均低于OP的寿命;随着应监幅的降低,IP疲劳寿命有向OP寿命靠近的趋势扫描电镜观察表叫,IP和OPTMF试样的断口形貌仃明显的小同在IP蛮验中,裂纹萌生于试样内的铸造孔洞,垂直于加载轴片向扩展;

而OP裂纹则是萌生于试样的自由表而,沿着{111)品面扩展不同的裂纹萌幸和扩展机制是导致1P和OPTMF寿命嚣异的1.要原因

关键词单品镍基高温台金,同位相.反位相,热机械疲劳

中图法分类号TGlll8,7FGl323文献标识码A文章编号0412—1961(2003)09—0903—05

THERMo—MECHANICALFATIGUEBEHAVIoURSoFDD8SINGLECRYSTALNICKELBASESUPERALLoY

wANGhechen,LIShouxin,AISuhua。LIUFeng。sUNXiaofeng,GUANHengrongWANGZhongguang

ShenyangNationalLaboratoryforMaterialsScience,InstituteofMetalResearch,TheChineseAcademyofSciences,Shenyang

110016

Correspondent:忡HⅣGYuechen.Af:(024)83978270,E-mail:ycwang@imr.acen

SupportedbyNationalKeyBasicResearchandDevelopmentProgrmmeo|China(No.G19990650)Manuscriptreceived2002—09-04,inrevisedform2003-03-07

ABSTRACTTheexperimentofthermomechanicalfatiguefTMFlbehaviorofsuperalloyDD8showsthatwhenthemechanicalstrainrangeiStakenaSthebasis.thelifeofinphase(IP)TMFiSle88tha_rlthat.ofoutofphasefOP)TMFattfigherstrainranges.However,withdecreasingthestrainrange.the1ifeofIPTMFisapproachingtothatoftheOPTMF.SEMreveMsthatthereiSanobviousdiifelenceinthecrackmorphologyofIPandOPTMFsamples,InIPTMF.cracksinitiatedatinternalporesandpropagatedverticallytotheloadingaxis.InOPTMF.thecrackinitiatedatthefreesurfaceofsamplesandpropagatedalone{111)planeDifferentbehaviorsofcrackinitiatedandpropagatedaremainreasoncausingthedifierentliresofIPandOPTMF

KEYWoRDSsinglecrystalnickelbasesuperalloy,inphase,outofphase,thermcr-mechanicalfatigue(TMF)

单晶高温台金的研制和应用是喷气发动机涡轮叶片材料的最大进腱之单晶高温台金因具有优异的高温性能而倍爱各国研究者和发动机制造商的关注.有关单晶高温合金的蠕变、等温疲劳、疲劳和蠕变的交互作用方面已经进行j’许多研究【卜引但是,由于单晶高温台金大都工作十温度与机械载荷问时变化的条件下,等温疲劳(IF)测试无法反映出温度发生同步变化时材料的形变行为,因而也就无法真实揭示其损伤机制热机械疲劳(TMF)实

+国家霞电挂础研究靛艟规划资助项目G19990650

收到初稿口期:2002—09—04,收到修改稿日期:20034)307作者箭介:£跃臣.胃,1973年生,博士生验就是应这种需要而设计出来的新的实验方法.由于TMF实验比较复杂,费用昂贵,需要消耗大量的时间、所蹦在这方面的实验仍然十分有限i5’“.

DD8单晶镍基高温合金的化学成分类似于IN738和DS38G.由于DD8消除了晶界和晶界稳定元素,使得它的最高热处理温度可以达到1240℃,而17相的最高溶解温度为1167℃∽因此,1’沉淀相得以充分的溶解,消除了低强度7/7’共晶相,使得台金元素充分均匀化,强化相17具有理想的形态和尺寸,因此DD8的持久强度,疲劳强度和蠕变性能比IN738和DS38G部有所提高p月J.本文对DD8合金的性能进行测试,对其在TMF过程中疲劳损伤机制进行分析与探讨.

90i金属学报39卷

1实验方法

所Ⅲ的单晶高温台金DD8台金的化学成分见文献』8]利喟选品法制取f001]取向单晶棒后,进行均热化处理(1100℃,8h,AC),高温同溶处理(1240℃,4h.AC),‘次时敏处理(1090℃,2h,AC)和二次时效处珲(850℃,24h,AC).热处理后台金内的微观结}勾主娶包括面心立疗的7基体,规则排列在1基体中的L12结构的萨方体1’相.1’的尺寸约为250/liFt,体积分数约为60%,7基体的宽度大约为46niil.

单品棒经过热处理后,机械加工成标距部分为直径6ITlnl、长18ltzm的双头螺纹TMF试样疲劳实验是在MTS810热机械疲劳试验机上进行的加载轴的方向为【00li方向,采用恒机械应变挖制的三角渡加载,大气环境,温度范围450—900℃,加载周期为200S,感应加热和压缩守气冷却.测试合金的反位相(OP,晟大拉伸机械应变对应实验的最低温度)和同位相(IP.最大拉伸机械应变对应实验的摄高温度)TMF性能,并利用扫描电镜(SEM)对挣断后的样品断口和纵向剖面进行了详细的观察

2实验结果和讨论

2.1TMF循环应力响应

图la,b分别为DD8台金热机械疲劳IP(Ae。。/2=o008)以及OP(Aem。/2=00075)第一周以及半寿命时的滞后回线由图可见,IP与OP实验的滞后回线都有明显的不对称性.在IP实验中,加载时,温度随之升高,在达到拉伸最大拉伸应变时,温度也升至最高;降载时,温度随之降低,在达到压缩最大应变值时,温度也降至最低.因为高温时材料抵抗形变的阻力要小,结果导致在IP时最大拉伸应力O"m。。小于最大压缩应力O'mi。,样品受到一个压缩的乎均应力Erm(见表1).与TP实验相反,0:OP状态下,最大拉伸应变与最低温度相对应,而最大压缩应变与最高温度相对应,所以最大拉伸应力a~;大下最』(压缩应力a…i样品受到一个拉伸的平均应力a。(见表2)另外图中也表明,在高温半周,半寿命时与第一脚相比,IP实验的最大拉应力和OP实验的最大压应力有所降低,说明随着变形的继续,材料显示H{循环软化特征.而在低温半周,半寿命时与第一周相比,IP实验的最大压应力和OP实验的最大拉应力均有所升高,

表明在低温半周循环加载的过程中,材料呈现出循环硬化特征

循环应力响应曲线可清晰显示材料的硬化软化行为.图2a为在IP状态F,DD8合金的TMF循环应力响应曲线.由图可见,在高温半周,IPTMF的最大拉伸应力在循环的最初儿周有所降低,呈现初始软化,随后最大拉应力基本维持不变,达到循环稳定.而在低温半周,最大压缩应力幅值在循环初期则有所增加,显示出明显的初始硬化特征,在经过最初几间的循环硬化之^i,压缩应力幅值不再升高,达到循环稳定.在高温半同和低温半周这一循环稳定状态都一直持续到断裂前的几周(较高应变幅)或十儿周(较低应变幅),断裂前最大拉应力和最大压应力都有明显降低,这可能是疲劳后期的裂纹打展导致的

闰1DD8台盘热机械疲劳滞后回线

FigtlTypicalhysteresisloopsofDD8alloyunderthermo-mechanicalfatigue(TMF)

(a)IP,△Em。/2=o008

(b)OP,△Em。/2=00075

衰1IP热机械疲劳蛮验结果

Table1SummaryofTMFunderinphase

9期王跃里竺!里里!兰曼堡苎壹堡垒垒塑垫塑堕窒翌——!竺一一表2OP热机械疲劳实聆结粜Table2SummaryofTMFunder。lnof_phase

No△E…/2胍AeuI/2O-一,MPafYminMPa口m,MPaAO/2,MPa

n00851440161050

535257579252000821001481011509

2517603O0075285012

9915042435747.540007577001967408

27956875

1200

800

400罡

专0%

善_400

’800.1200

(bl

“南止=07%

.…6‰.,2=075%

——6日,√2=O88%

101001000

N.cyc

田2DD8合金TMF循环应力响应曲线

Fig.2CyclestressresponseCUFVes

ofTMFofDD8alloyunderlP(a】andOP(b)

罔2h为OP条件FDD8合金的TMF循环应力响应曲线由圈町见,OP与IP条件下表现出相似的循环硬化软化规律,即高温半周为初始软化.而低温半周则表现为初始硬化循环硬化和软化只发生在前几周,在初始的几J舌J循环硬化或软化之后.达到饱和状态并呈现出循环稳定,这一循环稳定状态一直持续到试样最终断裂.在本实验中所有的应变范围都表现为这一规律,只是硬化或软化的程度随着外加应变幅的升高而有所提高.与IP时不同的是OP疲劳断裂前几乎没有应力的下降.

2.2TMF寿命与断裂特征

图3、勾TMF寿命曲线,从图中吖以看出,当以机械应变幅作为参量时,在本实验所采用的应变幅范围内,IP的疲劳寿命均低于OP的疲劳寿命.随着应变幅的降

 ̄f.cyo

田3TMF寿命|}}1线

Fig.3FatiguelifecurvesofTMF

图4热f!|L械疲‘奇后在合金内H{现的滑移带

Fig.4Slip

bandsinthe

alloy

afterTMF

(a)IP(b)OP

低,IP疲劳寿命有向OP靠近的趋势.图4为IP阳OP

TMF断裂试样纵向剖面的SEM照片图中清楚地

ⅢJf{金属学报表叫冉,TMF过陛中出瑚厂滑移带由滑移迹线与加载轴

即i0011方向的交角可知『f-_奶的滑移乐为{1¨}(1lo)滑

移糸f001]是多滑移职向,但作IP样品巾H有一个主

滑移系T眄n(圈4a),而往OP样品中则车,p有两个可动

滑移系,由滑移J娅线的间距可划这阿个叮动滑移系没有主

次之分(图4h)

图5和罔6分Wl为1P和OPTMF疲劳试样的断

囝5IpTMF试样断口形貌扩展区、接近最终断裂区及瞬

断区的形筑

Fig.5Micrographsofthefracturesurfaceof

alloy

under

IPTMF

fa】propagatingz。ne,△EIIlc/2=0006、arrowshow—ingapore

【b)ncar1hefinal什aclurez。ne,△E…/2=O007(f)fracturezonP,Asme/2=o007

厂1缓观形貌从阿中可以看Ⅲ,IP和OPTMF试样的断口形貌有明显的刁:同.1p’YMF的断口裂纹扩展区由许多垂直十加载轴的小平面组成(图5a),这与单晶高温合金的蠕变断u很相似㈣【.每一小平面的中阳j都qf以观察到一个微孔,如同5a中箭头所指,表明这些小平呵是由微孔萌生的裂纹,并沿垂直加载轴方向扩展形成的.罔5h为最终断裂区的裂纹扩展彤貌,罔中显示裂纹沿着气孔的赤道处萌生,它们主要沿着两个疗向扩展,门。形成矩形的扩展面经过定向确定裂纹扩展的方向匈11J0f和fli01.图5c为对这一裂纹扩展形成平面的放人照h图中显示裂纹的扩展具有两个阶段;第一个阶段扩展晴l非常平坦,仪有小最的撕裂棱;而第二阶段的扩礁I|I_l产q0Ⅲ流状花样

在OPTMF试样的断口中则没有观察到这种由裂纹扩展产生的小平面,并且裂纹也并非萌生丁微扎处世:多数OPTMF断裂的样品的断口上都观察到了疲劳辉纹(图6a,b).从辉纹看。裂纹扩展有两种形式,‘种如同6a所示,即裂纹沿着一个特定的晶体学甲面(即{111}晶面)扩展,不同的扩展面之问以台阶相连男一种形式如图6b所示,裂纹同时在不同的晶体学面上((111)和(i11))扩展形成锯齿状的扩展区OPTMF试样的最终瞬断区是由一砦与拉伸轴成一定角度的解理面构成的(图6c),由图可以看出瞬断区试样沿着特定的晶体学方峨也就是沿{111}滑移面的方向断裂,说明瞬断是沿着滑移带的方向进行的.在瞬断区断口表面町以观察到明显的滑移带(图6d).

在IP实验的高温半周,样品受到拉应力,裂纹的内表面容易被氧化,使得样品在接下来的压缩过程中裂坟的闭合作用减弱.而往OP实验中,样品是在低温半周受到的拉应力,它对裂纹内表面的氧化作用耍低于OP实睑

另外,在TMF中蠕变也起了很大的作用,在实验中,阁为高温半周的温度比低温半J研要高很多,听“蠕变主要是在实验的高温半周起作用.实验证实I”J,高温受到拉直力比高温受到压应力更有利于蠕变的进行在本实验中,高温半局,在IP实验中,样品受到的是拉应力,而fl二OP实验中,样品受到的是压应力,所以蠕变对IP实验的影响要夫于OP实验,叭实验样品断口观察也可以证。《这一点,在【P实验中发现裂纹起始下铸造孔洞,而在OP实验样品中则没有观察到.所姒在高应变幅下,IP。其骑的疲劳寿命要低于OP实验的疲劳寿命随着膨变幅的降低,IP实验和OP实验的疲劳寿命逐渐的接近,违是因为,在疲劳过程中裂纹的形核占据了疲劳寿命的主饕部分,而IP实验和OP实验相比,拉应力降低得较快(参看表1,2),导致随着应变幅的降低,IP实验中裂纹形饮时间的增K的速度加快,所以随着应变幅的降低,If’坡

劳寿命育向OP靠近的趋势.

9期王跃臣等:DD8单品镍基高温台金的热机械疲劳907

囝6oPTMF试样断口扩展区相接近最终断裂Ⅸ&接近最终断裂区的滑移带的形貌,箭头指示裂纹扩展疗向

Fig.6MierographsofthefracturesurfaceofalloyunderIP

TMF

(a)propagatingzoneAeme/2=0007,arrowshowingcrackprop£tgatingdirection(b)propagating

zone,△E㈣/2=0.0075(c)nearthefinal矗acturezone,△Eme/9=o0075ld)stipbandnearthe

finalfracturezone,Acree/2=0.007

3结论

(1)在IP和OPTMF的高温半周,昕有的应变幅下都出现初始循环软化;而在低温半周则相反循环软化和循环硬化都只出现在疲劳循环的前十周以内,且软化或硬化的程度和速度都随外加应变幅的增大而增大.(2)当以机械应变幅作为参量时,在本实验所采用的应变幅范围内,IP的疲劳寿命均低于OP的疲劳寿命;随着应使幅的降低,IP疲劳寿命有向OP靠近的趋势(3)IP和OPTMF试样的断口形貌有明显的不同.IP时的断r1裂纹扩展区是由许多个垂直于加载轴的小平面组成的,这些小平面是由微孔萌生的裂纹沿垂直加载轴方向扩展彤成的;而OP裂纹则是萌生十试样的自由表面,并沿着f111}晶面扩展.不同的裂纹萌生和扩展机制足导敛IP和OPTMF寿命差异的主要原因.

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(田亲贵东北大学博』.学位I奁文沈阳,

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DD8单晶镍基高温合金的热机械疲劳

作者:王跃臣, 李守新, 艾素华, 刘峰, 孙晓峰, 管恒荣, 王中光

作者单位:中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,沈阳,110016

刊名:

金属学报

英文刊名:ACTA METALLURGICA SINICA

年,卷(期):2003,39(9)

被引用次数:1次

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