摘 要:采用直流电压降法对 GH3230合金进行了高温下的疲劳裂纹扩展试验,分析了温度及 应力强度因子对 GH3230合金疲劳裂纹扩展速率的影响,并利用扫描电子显微镜对断口进行分 析。结果表明:在相同的应力强度因子下,随着温度的升高,合金的裂纹扩展速率增大;温度从 750 ℃升高到850 ℃时,裂纹扩展速率明显增大,从850 ℃升高到950 ℃时,小应力强度因子下的 裂纹扩展速率相差不大,随着应力强度因子的增大和温度的升高,裂纹扩展速率的差距增大;观察 断口表面可知,在裂纹扩展区和瞬断区,断口表面呈现典型的疲劳辉纹和韧窝特征,随着温度的升 高,断口表面的氧化物颗粒增多,裂纹扩展区的疲劳辉纹不明显。
关键词:直流电压降法;GH3230合金;疲劳裂纹扩展行为
中图分类号:TL341 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)04-0023-04
镍基高温合金具有优异的性能,在整个高温合 金领域占有重要的地位。GH3230合金是我国自主 研制的新一代镍-铬基固溶强化型变形高温合金,其 化学成分简单,具有高强度、可焊接、抗氧化等特点, 可用于制备900℃以下长期使用的航空发动机燃烧室部件和其他高温环境中服役的零部件[1]。
某型发动机的数台火焰筒气膜唇边和掺混孔均 检测出了裂纹和掉块,在飞行过程中可能会威胁飞 行安全,严重影响发动机的使用寿命,使发动机的大 修周期显著缩短。发动机反复起动和停车使得火焰 筒承受大小、方向随时间变化的循环交变载荷,这是 引起火焰筒产生裂纹和掉块的主要原因[2]。为了保 障航空发动机的服役安全,研究火焰筒材料在服役 条件下的疲劳裂纹扩展行为具有重要意义,而国内 目前针对 GH3230合金高温裂纹扩展行为的研究 较少。
笔者利用直流电压降法对 GH3230 合金开展 了750,850,950 ℃ 下 的 疲 劳 裂 纹 扩 展 试 验,得 到 GH3230合金稳定裂纹扩展区的 Paris拟合公式,并 采用断口定量反推的方法对得到的试验结果进行验 证,进一步分析了不同温度对材料裂纹扩展速率的 影响。采用扫描电子显微镜(SEM)观察断口,分析 了合金的断裂模式及损伤机理,研究结果可为火焰 筒的安全可靠应用和寿命预测提供试验基础和理论 支持。
1 试验方法
1.1 化学成分分析及拉伸试验方法
从某型发动机燃烧室内机匣取样制成 GH3230 合金裂纹扩展试样,成型工艺为锻造,其合金成分如 表1所示。由表 1 可知,与其他高温合金相比,该 GH3230合金试样中加入了大量的钨元素,钨元素 主要溶解于γ基体中,少量进入碳化物中。
GH3230 合金试样的显微组织形貌如图 1 所 示,由图 1 可 知,该 试 样 的 显 微 组 织 晶 粒 度 约 为 6.5级,晶界处存在大量颗粒状 M23C6(某类碳化物 的总称),有利于限制晶界迁移,降低裂纹的延晶扩 展速率。
GH3230合金试样在750~950 ℃下的拉伸试验 结果(每个温度点测试7根试样,取平均值)如表2所 示。高温拉伸试验依照 HB5195—1996《金属高温拉 伸试验方法》进行。由表2可知,在750~950 ℃下, 随着温度的升高,GH3230合金的抗拉强度、屈服强 度均减小,断面收缩率、断后伸长率均增大,弹性模量 在750℃与850 ℃时相差不大,甚至在850 ℃时更 大,在950℃时的弹性模量明显减小,表明在950 ℃ 时材料的刚度降低,原子间结合力变弱。
