摘要：對(duì)GH4169高溫合金在低周疲勞和高低周復(fù)合疲勞條件下的微觀組織演變、疲勞壽命以及斷口形貌進(jìn)行了系統(tǒng)研究。通過MTS809疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，并利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和電子背向散射衍射（electron back-scattered diffraction，EBSD）對(duì)疲勞斷口及微觀組織進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在低周和高低周復(fù)合疲勞條件下，裂紋主要萌生于材料的表面，并沿著滑移帶和晶界擴(kuò)展；兩種疲勞條件下的疲勞斷口均表現(xiàn)出韌窩結(jié)構(gòu)，其中高低周復(fù)合疲勞條件下的韌窩更為顯著；碳化物夾雜是韌窩形核的重要位置；疲勞加載過程中形成的大量小角度晶界可能是導(dǎo)致韌窩形成的主要原因。

關(guān)鍵詞：高溫合金；微觀組織；疲勞壽命；斷口形貌

中圖分類號(hào)：TG 132.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Study on fatigue behavior of GH4169 superalloy

LIU Min1，HUQiannan1，YANG Fan1，TANG Jiajie1，LI Fangjie2，WANG Xiaowei3

（1.School of Materials Science and Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China;2.School of Materials Vj5MKDAYvT8z2vVeDBgfag==Science and Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201602，China;3.School of Mechanical and Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201602，China）

Abstract：A systematic study was conducted on the microstructural evolution，fatigue life，and fracture morphology of GH4169 superalloy under low-cycle fatigue and combined high and low cycle fatigue conditions.The material was subjected to fatigue testing using an MTS809 fatigue testing machine，and the fatigue fracture surfaces and microstructures were analyzed in detail using ascanning electron microscope（SEM）and electron backscatter diffraction（EBSD）.The results indicate that under low cycle fatigue and high and low cycle fatigue conditions，cracks mainly originate on the surface of the material and propagate along slip bands and grain boundaries.The fatigue fracture surfaces under the two fatigue conditions exhibit dimple structures，with dimples being more pronounced under high and low cycle fatigue conditions.Carbide inclusions are important locations for dimple nucleation.The large number of small angle grain boundaries formed during fatigue loading may be the main reason for the formation of ductile dimples.

Keywords：superalloy;microstructures;fatigue life;fracture morphology

GH4169高溫合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性以及在較寬溫度范圍內(nèi)的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤、渦輪軸和渦輪葉片等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件。然而，由于其工況復(fù)雜多變，經(jīng)常處于高溫和交變載荷的狀態(tài)，這些部件極易出現(xiàn)疲勞裂紋，產(chǎn)生安全隱患，甚至可能導(dǎo)致重大安全事故[1]。因此，深入分析其疲勞行為對(duì)于確保服役安全具有重要意義。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等高端裝備的服役過程中，關(guān)鍵零部件不僅要承受低周載荷的作用，還常常承受高周疲勞和低周疲勞疊加的復(fù)雜載荷。早期關(guān)于渦輪葉片等構(gòu)件的疲勞壽命研究主要基于高周疲勞進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估[2]。然而，后續(xù)研究普遍認(rèn)為低循環(huán)應(yīng)力水平高于高循環(huán)振動(dòng)應(yīng)力水平，因此，將低周疲勞作為主要的疲勞損傷影響因素[3-4]。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，單純依靠高周疲勞或低周疲勞預(yù)測(cè)得到的葉片疲勞壽命誤差較大。這是因?yàn)楸M管高循環(huán)應(yīng)力幅值較小，但其頻率非常高，當(dāng)其疊加在低周循環(huán)上時(shí)，會(huì)顯著降低樣品的疲勞壽命，導(dǎo)致渦輪葉片等構(gòu)件的實(shí)際失效模式往往表現(xiàn)為高低周復(fù)合疲勞斷裂[5]。在此基礎(chǔ)上，侯貴倉(cāng)等[6]通過高低周復(fù)合疲勞壽命實(shí)驗(yàn)，成功復(fù)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤的故障。此外，斷口的微觀形貌分析和位錯(cuò)結(jié)構(gòu)研究[7]也表明，高低周復(fù)合載荷下的疲勞斷口形貌更接近實(shí)際構(gòu)件在使用過程中或試車階段的斷口形貌。

高低周復(fù)合疲勞載荷是在低周載荷幅值上疊加高周循環(huán)分量，盡管疊加的高周循環(huán)應(yīng)力較小，但其對(duì)低周主循環(huán)的影響卻不容忽視。文獻(xiàn)[8-10]較早開展了對(duì)高溫合金和不銹鋼等材料在高低周復(fù)合載荷下的疲勞裂紋擴(kuò)展研究，分析了高周載荷作用的臨界值、斷口形貌、裂紋擴(kuò)展機(jī)制，研究了高低周載荷比對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響。此外，通過對(duì)高低周復(fù)合載荷下鑄鐵的裂紋擴(kuò)展速率方面的研究[11-12]發(fā)現(xiàn)，高低周復(fù)合載荷不僅加速了裂紋擴(kuò)展，還改變了裂紋的擴(kuò)展路徑，這是因?yàn)楦咧苎h(huán)應(yīng)力引發(fā)的高頻振動(dòng)能夠促使裂紋尖端的應(yīng)力集中更為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致裂紋沿不同于低周載荷下的路徑擴(kuò)展。這些研究成果表明，高低周復(fù)合載荷對(duì)材料的疲勞行為有復(fù)雜的影響，不能僅通過單一載荷模式來(lái)評(píng)估材料的疲勞壽命和斷裂特性?；谝陨涎芯砍晒?，本文進(jìn)一步探討了純低周和高低周復(fù)合載荷作用下材料的微觀結(jié)構(gòu)演變、疲勞壽命和斷口形貌變化。

1實(shí)驗(yàn)方法

本文選用GH4169高溫合金作為實(shí)驗(yàn)合金，該合金為沉淀強(qiáng)化型高溫合金，主要由基體γ相、析出相（包括γ′相、γ′′相、δ相）和夾雜物組成。GH4169高溫合金的化學(xué)成分如表1所示。為了將GH4169高溫合金中的析出相溶解，對(duì)其進(jìn)行960℃固溶處理1 h，隨后空冷至室溫，為之后的時(shí)效處理做準(zhǔn)備。采用雙級(jí)時(shí)效處理工藝，第一級(jí)處理溫度為720℃保溫8 h。目的是在不過量時(shí)效的前提下，盡可能多地將強(qiáng)化相（γ′相和γ″相）以質(zhì)點(diǎn)的形式均勻地分散在基體上，以提高合金的強(qiáng)度。同時(shí)，該處理溫度可以避免主要強(qiáng)化相γ″向平衡相δ的轉(zhuǎn)變，以確保合金的性能穩(wěn)定。第二級(jí)處理溫度以50℃/h的速度爐冷至620℃，再保溫8 h，最后空冷至室溫，其主要好處是促使細(xì)小的次要強(qiáng)化相γ′進(jìn)一步析出，以進(jìn)一步提高合金的強(qiáng)度[13]。

高低周復(fù)合疲勞和純低周疲勞實(shí)驗(yàn)均在MTS809疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。為避免實(shí)驗(yàn)過程中附加熱應(yīng)力導(dǎo)致的實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)偏離目標(biāo)值，本文選擇了帶孔壁厚為1 mm的薄壁圓管樣品，標(biāo)距長(zhǎng)度為30 mm，總長(zhǎng)度為220 mm，尺寸如圖1（a）所示。在純低周疲勞實(shí)驗(yàn)中，采用了三角形波的加載模式，主應(yīng)力的范圍設(shè)定為0～800 MPa，應(yīng)力上升和應(yīng)力下降階段均在1 s內(nèi)完成，樣品在58578次循環(huán)后斷裂。對(duì)于模擬更復(fù)雜的載荷條件，高低周復(fù)合疲勞實(shí)驗(yàn)中，低周疲勞加載形式改為梯形波形，樣品在80706次循環(huán)后斷裂。高低周疲勞的簡(jiǎn)化載荷譜圖如圖1（b）所示。

為了揭示材料在低周疲勞和高低周疲勞條件下的損傷機(jī)制，本文對(duì)兩種疲勞狀態(tài)下疲勞失效后的樣品斷口進(jìn)行了詳細(xì)分析。首先，將疲勞失效后的斷口通過線切割切下，低周疲勞破壞樣品命名為H1，高低周疲勞破壞樣品命名為H2。然后使用超聲波對(duì)其進(jìn)行清洗，確保表面無(wú)污染物殘留。隨后，利用型號(hào)為MIRA3 XM的TESCAN掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）及搭載的電子背散射衍射（electron back scatter diffraction，EBSD）探頭分析疲勞失效后的斷口形貌以及微觀組織結(jié)構(gòu)。采用振動(dòng)拋光法制備EBSD樣品。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 GH1469高溫合金相結(jié)構(gòu)分析

圖2（a）和2（b）中可以看出，為H1和H2樣品在不同疲勞加載條件下的反極圖（inverse polefigure，IPF）結(jié)果。從圖2（a）和2（b）中可以看出，在低周疲勞和高低周復(fù)合疲勞加載條件下，H1和H2樣品的晶粒形態(tài)差異不大。在兩種樣品中均可觀察到較多的小晶粒，這主要是由裂紋尖端的塑性變形所引起的。從晶粒尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，H2樣品中具有更多的小晶粒。

2.2 GH1469高溫合金組織形貌分析

在疲勞過程中，隨著循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行，塑性變形不斷積累，位錯(cuò)密度逐漸增加。圖3為H1和H2樣品的取向波動(dòng)圖（kernel average misorientation，KAM）及其對(duì)應(yīng)的直方圖。可以看出，位錯(cuò)密度較高的區(qū)域主要集中在晶界附近。此外，與H1樣品相比，H2樣品塑性變形更大，其位錯(cuò)密度更高。

2.3 GH1469高溫合金相組成元素分析

于GH1469高溫合金屬于面心立方結(jié)構(gòu)（face-centered cubic，F(xiàn)CC），在疲勞損傷過程中，F(xiàn)CC晶體的滑移系{111}<110>容易啟動(dòng)[14]。實(shí)驗(yàn)研究了滑移系{111}<110>中的Schmid因子分布情況，用Schmid因子來(lái)反應(yīng)滑移系啟動(dòng)的難易程度。Schmid因子越大，啟動(dòng)相同類型的滑移系的難度就越低。圖4中顏色從淺到深代表Schmid因子從0.27～0.50的變化，意味著晶體學(xué)取向從“硬”到“軟”的變化。從圖4中可以看出，兩個(gè)樣品中Schmid因子主要分布在0.4～0.5，這意味著它們的晶體學(xué)取向偏軟。H2樣品中Schmid因子分布在0.3～0.4的晶粒更多，表明H2樣品中具有較多硬取向的晶粒。相比之下，H1樣品中軟取向的晶粒更多，這表明H1樣品在進(jìn)一步加載時(shí)比H2樣品更容易發(fā)生塑性變形。這與H1樣品的疲勞循環(huán)次數(shù)少于H2樣品的一致。

圖5為GH4169高溫合金在不同疲勞加載條件下的晶界圖。對(duì)疲勞樣品在兩種加載狀態(tài)下的微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，疲勞斷口中均出現(xiàn)了部分孿晶，其中H1樣品中的孿晶體積占比為1.44%，而H2樣品中的孿晶體積占比為1.28%。同時(shí)，在兩種加載條件下，晶粒內(nèi)部都產(chǎn)生了大量的小角度晶界。這表明，材料在疲勞過程中主要通過位錯(cuò)滑移來(lái)協(xié)調(diào)變形，部分區(qū)域則依賴于孿晶的形成。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，局部區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸加劇，進(jìn)而誘發(fā)了孿晶的產(chǎn)生。這也表明，裂紋萌生的直接原因非變形孿晶，而是疲勞過程中材料內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整的一種結(jié)果。材料在疲勞過程中的變形主要依賴于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，孿晶的出現(xiàn)則是對(duì)局部應(yīng)力集中的一種應(yīng)對(duì)機(jī)制。

2.4斷口分析

疲勞裂紋通?？梢愿鶕?jù)其形態(tài)特征明確劃分為3個(gè)區(qū)域：核心區(qū)域、擴(kuò)展區(qū)域、瞬時(shí)斷裂區(qū)域。疲勞源通常位于一個(gè)扇形小區(qū)域內(nèi)，是疲勞失效的起點(diǎn)。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域通常占據(jù)了大部分的疲勞斷裂表面，且其表面相對(duì)粗糙。

圖6為GH4169高溫合金的宏觀疲勞斷口形貌。對(duì)GH4169合金在不同疲勞狀態(tài)下的斷口觀察發(fā)現(xiàn)，兩種疲勞狀態(tài)下的樣品內(nèi)外表面都出現(xiàn)了微小的放射狀區(qū)域，這表明疲勞裂紋最初主要萌生于材料的外表面和內(nèi)表面。主要原因有以下兩點(diǎn)：首先，表面晶粒位于自由表面，不能完全受到鄰近晶粒的支撐，因此在承受外加載荷時(shí)比內(nèi)部晶粒更容易發(fā)生塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞損傷并最終萌生疲勞裂紋；其次，表面粗糙度引起的應(yīng)力集中以及表面殘余拉應(yīng)力導(dǎo)致表面應(yīng)力增大，也是疲勞裂紋容易在表面萌生的關(guān)鍵因素之一[15]。

圖7為兩種疲勞加載條件下，疲勞裂紋擴(kuò)展階段的微觀形貌。從圖7中可以清晰地看到兩個(gè)樣品中都存在疲勞輝紋和二次裂紋。在裂紋擴(kuò)展區(qū)，低周疲勞斷口顯示出明顯的條紋特征；在高低周復(fù)合疲勞條件下，會(huì)觀察到晶間斷裂的現(xiàn)象。這種斷口特征與文獻(xiàn)[16]中報(bào)道的相似。這些觀察結(jié)果表明，在低周疲勞條件下，裂紋擴(kuò)展主要沿晶體滑移面進(jìn)行，形成了條紋；在高低周復(fù)合疲勞條件下，高頻應(yīng)力的疊加，裂紋更容易沿晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致晶間斷裂的出現(xiàn)。這種斷裂模式的差異反映了材料在不同疲勞加載條件下的不同損傷機(jī)制，有助于更深入地理解疲勞行為和裂紋擴(kuò)展特征。

圖8為GH4169高溫合金的韌窩狀疲勞斷口形貌。通過對(duì)比H1和H2樣品的疲勞斷口可以看出，兩個(gè)樣品的斷口上均存在韌窩結(jié)構(gòu)，且H2樣品的韌窩結(jié)構(gòu)更加明顯。圖8（a）中的韌窩數(shù)量較少，大多數(shù)韌窩較淺且邊界不清晰；圖8（b）中韌窩的數(shù)量更多，大多數(shù)韌窩具有明顯的邊界，有些韌窩則表現(xiàn)出較大的深度和尺寸。這說(shuō)明H1樣品的塑性變形小，而H2樣品承受了更多的塑性應(yīng)變能，這與前面EBSD的KAM結(jié)果一致，H2樣品比H1樣品具有更高的位錯(cuò)密度。

結(jié)合fVDnUx/F2XOAwsgKhV5zloRxVl4AJDchxQDNekIBRjQ=微觀組織分析結(jié)果可以推測(cè)，疲勞加載產(chǎn)生的大量小角度晶界可能是導(dǎo)致疲勞斷口形成韌窩形貌的主要原因。韌窩通常在第二相粒子、非金屬夾雜物或位錯(cuò)塞積處形核。通過對(duì)韌窩區(qū)域的粒子進(jìn)行EDS分析，可以確認(rèn)這些韌窩主要在碳化物夾雜處形核。這進(jìn)一步說(shuō)明，材料在疲勞加載過程中，局部微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)斷口形貌具有顯著影響。

圖9為H1和H2樣品疲勞斷口區(qū)域的夾雜物成分的EDS分析結(jié)果。分析結(jié)果表明，夾雜物為富Nb和Ti的碳化物。

3結(jié)論

（1）GH4169高溫合金在低周疲勞和高低周復(fù)合疲勞條件下均表現(xiàn)出明顯的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展特征。疲勞裂紋主要從材料的表面開始萌生，并沿滑移帶和晶界擴(kuò)展。

（2）兩種疲勞條件下的疲勞斷口均顯示出韌窩結(jié)構(gòu)，其中高低周復(fù)合疲勞條件下的韌窩結(jié)構(gòu)更為顯著，說(shuō)明該條件下，合金承受了更多的塑性應(yīng)變能。這也表明高低周復(fù)合疲勞更容易在材料內(nèi)部形成復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致更明顯的韌窩形成。

（3）疲勞過程中形成的大量小角度晶界可能是導(dǎo)致韌窩形成的主要原因，而碳化物夾雜則是韌窩形核的關(guān)鍵位置。

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（編輯：畢莉明）