GH4169高溫合金的疲勞行為研究

摘要：對GH4169高溫合金在低周疲勞和高低周復合疲勞條件下的微觀組織演變、疲勞壽命以及斷口形貌進行了系統研究。通過MTS809疲勞試驗機對材料進行疲勞實驗，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）對疲勞斷口及微觀組織進行分析。結果表明：在低周和高低周復合疲勞條件下，裂紋主要萌生于材料的表面，并沿著滑移帶和晶界擴展；兩種疲勞條件下的疲勞斷口均表現出韌窩結構，其中高低周復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致韌窩形成的主要原因。

關鍵詞：高溫合金；微觀組織；疲勞壽命；斷口形貌

中圖分類號：TG 132.3文獻標志碼：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高溫合金具有優異的力學性能、耐腐蝕性以及在較寬溫度范圍內的長期熱穩定性，被廣泛應用于航空發動機的渦輪盤、渦輪軸和渦輪葉片等關鍵結構部件。然而，由于其工況復雜多變，經常處于高溫和交變載荷的狀態，這些部件極易出現疲勞裂紋，產生安全隱患，甚至可能導致重大安全事故[1]。因此，深入分析其疲勞行為對于確保服役安全具有重要意義。

在航空發動機和燃氣輪機等高端裝備的服役過程中，關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雜載荷。早期關于渦輪葉片等構件的疲勞壽命研究主要基于高周疲勞進行結構設計和壽命評估[2]。然而，后續研究普遍認為低循環應力水平高于高循環振動應力水平，因此，將低周疲勞作為主要的疲勞損傷影響因素[3-4]。實際應用中發現，單純依靠高周疲勞或低周疲勞預測得到的葉片疲勞壽命誤差較大。這是因為盡管高循環應力幅值較小，但其頻率非常高，當其疊加在低周循環上時，會顯著降低樣品的疲勞壽命，導致渦輪葉片等構件的實際失效模式往往表現為高低周復合疲勞斷裂[5]。在此基礎上，侯貴倉等[6]通過高低周復合疲勞壽命實驗，成功復現了航空發動機輪盤的故障。此外，斷口的微觀形貌分析和位錯結構研究[7]也表明，高低周復合載荷下的疲勞斷口形貌更接近實際構件在使用過程中或試車階段的斷口形貌。

高低周復合疲勞載荷是在低周載荷幅值上疊加高周循環分量，盡管疊加的高周循環應力較小，但其對低周主循環的影響卻不容忽視。文獻[8-10]較早開展了對高溫合金和不銹鋼等材料在高低周復合載荷下的疲勞裂紋擴展研究，分析了高周載荷作用的臨界值、斷口形貌、裂紋擴展機制，研究了高低周載荷比對裂紋擴展行為的影響。此外，通過對高低周復合載荷下鑄鐵的裂紋擴展速率方面的研究[11-12]發現，高低周復合載荷不僅加速了裂紋擴展，還改變了裂紋的擴展路徑，這是因為高周循環應力引發的高頻振動能夠促使裂紋尖端的應力集中更為嚴重，從而導致裂紋沿不同于低周載荷下的路徑擴展。這些研究成果表明，高低周復合載荷對材料的疲勞行為有復雜的影響，不能僅通過單一載荷模式來評估材料的疲勞壽命和斷裂特性。基于以上研究成果，本文進一步探討了純低周和高低周復合載荷作用下材料的微觀結構演變、疲勞壽命和斷口形貌變化。

1實驗方法

本文選用GH4169高溫合金作為實驗合金，該合金為沉淀強化型高溫合金，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高溫合金的化學成分如表1所示。為了將GH4169高溫合金中的析出相溶解，對其進行960℃固溶處理1 h，隨后空冷至室溫，為之后的時效處理做準備。采用雙級時效處理工藝，第一級處理溫度為720℃保溫8 h。目的是在不過量時效的前提下，盡可能多地將強化相（γ′相和γ″相）以質點的形式均勻地分散在基體上，以提高合金的強度。同時，該處理溫度可以避免主要強化相γ″向平衡相δ的轉變，以確保合金的性能穩定。第二級處理溫度以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小的次要強化相γ′進一步析出，以進一步提高合金的強度[13]。

高低周復合疲勞和純低周疲勞實驗均在MTS809疲勞試驗機上進行。為避免實驗過程中附加熱應力導致的實際應力場偏離目標值，本文選擇了帶孔壁厚為1 mm的薄壁圓管樣品，標距長度為30 mm，總長度為220 mm，尺寸如圖1（a）所示。在純低周疲勞實驗中，采用了三角形波的加載模式，主應力的范圍設定為0～800 MPa，應力上升和應力下降階段均在1 s內完成，樣品在58578次循環后斷裂。對于模擬更復雜的載荷條件，高低周復合疲勞實驗中，低周疲勞加載形式改為梯形波形，樣品在80706次循環后斷裂。高低周疲勞的簡化載荷譜圖如圖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制，本文對兩種疲勞狀態下疲勞失效后的樣品斷口進行了詳細分析。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。然后使用超聲波對其進行清洗，確保表面無污染物殘留。隨后，利用型號為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構。采用振動拋光法制備EBSD樣品。

2實驗結果分析

2.1 GH1469高溫合金相結構分析

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）結果。從圖2（a）和2（b）中可以看出，在低周疲勞和高低周復合疲勞加載條件下，H1和H2樣品的晶粒形態差異不大。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。從晶粒尺寸的統計結果可知，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，隨著循環的持續進行，塑性變形不斷積累，位錯密度逐漸增加。圖3為H1和H2樣品的取向波動圖（kernel average misorientation，KAM）及其對應的直方圖。可以看出，位錯密度較高的區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構（face-centered cubic，FCC），在疲勞損傷過程中，FCC晶體的滑移系{111}<110>容易啟動[14]。實驗研究了滑移系{111}<110>中的Schmid因子分布情況，用Schmid因子來反應滑移系啟動的難易程度。Schmid因子越大，啟動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，意味著晶體學取向從“硬”到“軟”的變化。從圖4中可以看出，兩個樣品中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樣品在進一步加載時比H2樣品更容易發生塑性變形。這與H1樣品的疲勞循環次數少于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。對疲勞樣品在兩種加載狀態下的微觀組織分析發現，疲勞斷口中均出現了部分孿晶，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，在兩種加載條件下，晶粒內部都產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滑移來協調變形，部分區域則依賴于孿晶的形成。隨著循環次數的增加，局部區域的應力集中現象逐漸加劇，進而誘發了孿晶的產生。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部應力調整的一種結果。材料在疲勞過程中的變形主要依賴于位錯運動，孿晶的出現則是對局部應力集中的一種應對機制。

2.4斷口分析

疲勞裂紋通常可以根據其形態特征明確劃分為3個區域：核心區域、擴展區域、瞬時斷裂區域。疲勞源通常位于一個扇形小區域內，是疲勞失效的起點。疲勞裂紋擴展區域通常占據了大部分的疲勞斷裂表面，且其表面相對粗糙。

圖6為GH4169高溫合金的宏觀疲勞斷口形貌。對GH4169合金在不同疲勞狀態下的斷口觀察發現，兩種疲勞狀態下的樣品內外表面都出現了微小的放射狀區域，這表明疲勞裂紋最初主要萌生于材料的外表面和內表面。主要原因有以下兩點：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比內部晶粒更容易發生塑性變形，進而導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力集中以及表面殘余拉應力導致表面應力增大，也是疲勞裂紋容易在表面萌生的關鍵因素之一[15]。

圖7為兩種疲勞加載條件下，疲勞裂紋擴展階段的微觀形貌。從圖7中可以清晰地看到兩個樣品中都存在疲勞輝紋和二次裂紋。在裂紋擴展區，低周疲勞斷口顯示出明顯的條紋特征；在高低周復合疲勞條件下，會觀察到晶間斷裂的現象。這種斷口特征與文獻[16]中報道的相似。這些觀察結果表明，在低周疲勞條件下，裂紋擴展主要沿晶體滑移面進行，形成了條紋；在高低周復合疲勞條件下，高頻應力的疊加，裂紋更容易沿晶界擴展，導致晶間斷裂的出現。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制，有助于更深入地理解疲勞行為和裂紋擴展特征。

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

結合fVDnUx/F2XOAwsgKhV5zloRxVl4AJDchxQDNekIBRjQ=微觀組織分析結果可以推測，疲勞加載產生的大量小角度晶界可能是導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塞積處形核。通過對韌窩區域的粒子進行EDS分析，可以確認這些韌窩主要在碳化物夾雜處形核。這進一步說明，材料在疲勞加載過程中，局部微觀結構變化對斷口形貌具有顯著影響。

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

3結論

（1）GH4169高溫合金在低周疲勞和高低周復合疲勞條件下均表現出明顯的疲勞裂紋萌生和擴展特征。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展。

（2）兩種疲勞條件下的疲勞斷口均顯示出韌窩結構，其中高低周復合疲勞條件下的韌窩結構更為顯著，說明該條件下，合金承受了更多的塑性應變能。這也表明高低周復合疲勞更容易在材料內部形成復雜的微觀結構，導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致韌窩形成的主要原因，而碳化物夾雜則是韌窩形核的關鍵位置。

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（編輯：畢莉明）