回麗, 姜云龍, 安金嵐, 周松*, 曾泓潤

(1.沈陽航空航天大學機電工程學院, 沈陽 110136; 2.沈陽航空航天大學, 航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室, 沈陽 110136; 3.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司, 成都 610000)

GH4169合金具有優(yōu)秀的力學性能、耐腐蝕性和抗氧化性,是航空工業(yè)領域中緊固連接件、燃氣輪機葉片等高溫部件中應用最為廣泛的鎳基高溫合金,其服役過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、交變載荷長期激勵等復雜環(huán)境中服役雖然能夠擁有較高的強度、良好的抗蠕變性能和較長的疲勞壽命,但在長期交變載荷的作用下易造成高周疲勞損傷,嚴重影響部件的服役壽命[1]。金屬標刻技術在航空領域中被廣泛應用,擁有能追根溯源、快速識別、快速排查故障、便于分類儲存與管理等優(yōu)勢特點。激光標刻是利用一種高能量密度的激光對試樣進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、符號等信息,加工效率高,質(zhì)量好,對產(chǎn)品的生產(chǎn)和管理有特殊的意義。激光標刻往往標刻在非傳力部分的側(cè)面或底面上,但在航空工業(yè)使用過程中,發(fā)現(xiàn)部分緊固件、連接件等零部件中存在標刻處產(chǎn)生裂紋、斷裂等失效情況發(fā)生,為此現(xiàn)以GH4169合金為研究對象,對激光標刻后的合金性能和斷裂機理進行研究。

激光標刻處理后,相當于在金屬零件表面引入缺陷,在部件制作過程中采用上述標刻方法,會在部件表面產(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GH4169鍛件中的缺陷問題,通過觀察微觀組織等方法,具體闡述了缺陷的產(chǎn)生機理和檢測方法。Ghiaasiaan等[6]對比了增材制造的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為研究對象,進行了超聲疲勞試驗和拉伸試驗,發(fā)現(xiàn)試樣的疲勞性能比拉伸性能對缺陷更為敏感,并從斷裂力學的角度分析了缺陷對斷裂行為的影響。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疲勞裂紋萌生壽命的影響,結(jié)果表明缺口尺寸較小時,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到臨界缺口時,壽命幾乎不再受缺口影響。姜松濤[9]通激光標刻技術制備了6061鋁合金超疏水表面,并對其試樣進行了表面表征的分析,進行了相關表面質(zhì)量的測試,通過試驗使其表面的機械穩(wěn)定性進一步加強。

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

1 試驗材料與方法

實驗材料為標準熱處理態(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件,試樣具體尺寸如圖1所示,板樣厚度為2 mm,其主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))如表1所示。將標準熱處理后的樣品分為兩組,其中試驗件分別進行未標刻、激光標刻,每組6根試樣進行對比分析。激光標刻機參數(shù)為速度:450 mm/s、功率:25%、頻率:20 kHz。試驗件標刻平均深度為25 μm左右,標刻內(nèi)容選用易造成損傷缺陷的字符進行標刻,如:M、G、B、9等,各式樣標刻工藝參數(shù)、標刻位置及標刻內(nèi)容均一致相同。

高周疲勞試驗在 QBG-100 高頻疲勞試驗機上進行,試驗按照金屬材料軸向加載疲勞試驗方法(HB 5287—1996)對試驗件進行加載。實驗在室溫下進行,高周疲勞試驗機加載為頻率120 Hz,施加波形為正弦波形,應力比為0.06。利用光學顯微鏡(OLYMPUS GX51OM)觀察GH4169標刻處合金組織。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合金主要化學成分表Table 1 Chemical compositions of GH4169 alloy

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 高周疲勞試驗結(jié)果

GH4169合金經(jīng)過激光標刻工藝加工后,通過圖2可以看出激光標刻后的缺口平均深度為25 μm左右。通過拉伸試驗測得GH4169合金未標刻、激光標刻試樣在室溫環(huán)境中抗拉強度均在1 400 MPa左右。疲勞試驗按照標準執(zhí)行,疲勞試驗加載的應力選用GH4169合金抗拉強度的60%進行,未標刻GH4169合金試樣的中值疲勞壽命為219×103cyc(循環(huán)次數(shù)),激光標刻試樣的中值疲勞壽命為37×103cyc,試驗結(jié)果見表2。

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

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

由此可見,GH4169合金經(jīng)過激光標刻工藝加工后,試樣的高周中值疲勞壽命下降的較為明顯,激光標刻后中值疲勞壽命較未標刻的試樣相比下降了83%,針對GH4169合金經(jīng)過激光標刻工藝加工后性能有不同程度下降的現(xiàn)象,對合金的顯微組織和高周疲勞斷口進一步分析,探究其影響因素及規(guī)律。

2.2 激光標刻下的GH4169合金微觀組織

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

利用掃描電鏡對激光標刻側(cè)面進一步進行觀測。通過圖3標刻缺口呈中間寬度較大的倒圓錐狀,底部較為尖銳。激光加工技術是一種利用高能量光束作用于被加工件的技術,在激光標刻加工過程中,因其加工在局部位置上,會對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)歷過一次快速熔化和凝固的過程,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化,應力狀態(tài)改變[10-12],從圖3可以看出激光標刻重熔層厚度為20 μm作左右激光標刻的重熔層質(zhì)地較為均勻,細化的晶粒對合金起到強化作用,但激光標刻后的缺口處存在較大應力集中[13],為疲勞裂紋的擴展提供了優(yōu)先擴展的路徑,標刻缺口的尖端已經(jīng)破壞了金屬穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),為疲勞試驗提供了初始的裂紋痕跡和擴展的能量。

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

3 分析與討論

3.1 激光標刻對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周次以下時萌生于試樣表面[14]。激光標刻為裂紋萌生提供了萌生和擴展的路徑,標刻處所產(chǎn)生的缺口可以看作是預制缺陷,破壞了合金原本的微觀組織結(jié)構(gòu),產(chǎn)生重熔層且標刻底端尖銳,易形成高應力集中。圖4為未標刻和激光標刻宏觀疲勞斷口圖。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,而激光標刻裂紋源由多個裂紋源共同組成,且各個裂紋源深淺不一,形貌相對較為粗糙,這是由于標刻萌生出的裂紋不在同一個平面所致,從掃描電鏡圖中可以看出裂紋萌生路徑交錯發(fā)散。未標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,而激光標刻試驗件由于標刻深度較深,形狀為錐形且缺口不平滑易產(chǎn)生應力集中,裂紋在標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所示分別為未標刻及激光標刻工藝下的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,疲勞裂紋總是開始于應力最高、強度最低的基體或試樣表面上。由于激光標刻的標刻字符、深度不同其疲勞源區(qū)的形狀也存在差異,激光標刻造成的缺口會在高周循環(huán)載荷的作用下,加快材料內(nèi)部的位錯運動,最終導致標刻尖端處形成較大的應力集中,進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展速度[15]。在GH4169合金承受高周次循環(huán)應力加載過程中,激光標刻工藝造成的不同程度的缺口均導致裂紋的萌生。激光標刻缺口處的形貌粗糙,缺口處更容易產(chǎn)生較大的應力集中,且應力集中情況復雜,這種密集、復雜的局部應力集中加快了塑性變形集中引起的裂紋萌生,使得激光標刻加工的GH4169合金裂紋萌生速度快,疲勞性能降低。

相關研究表明,GH4169合金裂紋主要以穿晶的模式萌生和擴展,并在疲勞擴展區(qū)有準解理斷裂特征[16-17]。當晶界與標印尖端呈較小的角度時,晶界對裂紋萌生和擴展的阻礙作用很小;當裂紋或標印尖端突破晶界的阻礙進入晶粒內(nèi)部時,裂紋擴展速率顯著增長,標刻尖端穿過、撕裂了多個晶胞的晶界,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展,致使激光標刻試樣在萌生初期,可以以較少的能量進行萌生,而未標印試樣裂紋萌生處形貌相對光滑和平整,使得裂紋萌生時需要更多的能量,萌生期疲勞壽命較高。

3.2 激光標刻對GH4169合金疲勞裂紋擴展初期的影響

GH4169合金在激光標刻下的疲勞擴展區(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。未標刻試樣疲勞條帶間距最小,裂紋在此階段穩(wěn)定擴展,形貌清晰。激光標刻試樣的裂紋疲勞條帶間距較未標刻試樣較大,相鄰條紋之間高度差異較大,γ″相對晶界釘扎作用下降,致使位錯在滑移帶中的運動變得容易,裂紋擴展到強化相γ′或大顆碳化物時會繞過其擴展,并在粒子前形成疲勞輝紋,整個疲勞裂紋的擴展路徑因此變得曲折,標刻試樣裂紋在多個維度不同平面間進行擴展,擴展速率比未標刻試樣擴展較快。

激光標刻試樣的擴展初期圖如圖6(b)所示,相鄰條帶之間的高度差變大,疲勞條帶寬度對應每一循環(huán)周次的裂紋擴展量,因此激光標刻試樣在裂紋擴展區(qū)初期歷經(jīng)的周期明顯低于未標印試樣。激光標刻試樣裂紋有多個不同的裂紋源延伸而出,這些萌生出的裂紋不在同一個平面上,在擴展初期匯合后出現(xiàn)臺階狀和脊狀形態(tài),形貌較為粗糙。激光標刻試樣裂紋尖端的較高應力集中導致碳化物本身或其與基體的相界面開裂,使得產(chǎn)生二次裂紋較為容易。由于疲勞斷裂過程中,合金的疲勞壽命主要以裂紋的萌生周期為主,擴展區(qū)歷經(jīng)周期較短,瞬斷區(qū)為瞬時斷裂而產(chǎn)生的,對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,激光標刻后的試樣裂紋萌生、擴展初期的周期均短于未標刻試樣,最終使得激光標刻試樣高周疲勞性能下降明顯。

4 結(jié)論

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

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

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