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。結果表明:在相同的應力強度因子下,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,小應力強度因子下的 裂紋擴展速率相差不大,隨著應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 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,研究結果可為火焰 筒的安全可靠應用和壽命預測提供試驗基礎和理論 支持。
1 試驗方法
1.1 化學成分分析及拉伸試驗方法
從某型發(fā)動機燃燒室內機匣取樣制成 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,原子間結合力變弱。
