DZ125定向凝固合金的薄壁持久蠕變性能與斷裂行為

王 亮 ， 李 彥 ， 張 麗 ， 趙澎濤 ，張燕明 ， 郭廣平 ， 王 翔

（1. 航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2. 材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3. 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

葉片的可靠性是發(fā)動(dòng)機(jī)安全的核心。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)里，高壓渦輪葉片直接接觸從燃燒室噴出的高溫氣流，環(huán)境溫度可高達(dá)1 100 ℃甚至以上。與此同時(shí)，作為轉(zhuǎn)子葉片，它們還要承受高速旋轉(zhuǎn)帶來的離心力和振動(dòng)應(yīng)力。制造高壓渦輪葉片的材料主要是定向凝固或單晶高溫合金。為了使葉片能夠在高溫環(huán)境中正常工作，必須采用空心結(jié)構(gòu)的、帶有復(fù)合氣冷內(nèi)腔的設(shè)計(jì)，可以對渦輪葉片進(jìn)行冷卻[1-3]。

渦輪葉片的失效通常是復(fù)雜的多因素共同作用的結(jié)果。在高溫環(huán)境中，葉片首先遭遇蠕變/持久損傷，而損傷引起的裂紋在離心力和振動(dòng)力（表現(xiàn)為低周和高周疲勞應(yīng)力）的作用下逐漸擴(kuò)展。發(fā)動(dòng)機(jī)在服役中要經(jīng)歷多次啟動(dòng)、停車過程，熱–機(jī)械疲勞載荷也會進(jìn)一步加速損傷。各種因素使得裂紋擴(kuò)展到臨界長度，當(dāng)葉片無法承受載荷時(shí)就發(fā)生斷裂，失效分析已經(jīng)驗(yàn)證了這種失效過程[4-6]。圖1為葉片典型的失效斷口形貌。

圖 1 葉片失效斷口Fig.1 Fracture of failed blade

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作溫度的不斷提高，渦輪葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，這種空心內(nèi)腔氣冷薄壁結(jié)構(gòu)要求渦輪葉片的壁非常薄，在此情況下，定向凝固合金的持久蠕變性能及變形機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比會有所變化。張強(qiáng)等[6]針對一種定向凝固高溫合金的薄壁效應(yīng)研究表明，薄壁試樣的持久性能與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比無明顯下降，合金的薄壁效應(yīng)不明顯。盡管有關(guān)單晶合金薄壁持久性能的研究已有報(bào)道[6-10]，但數(shù)據(jù)的局限性使得部分結(jié)論還需進(jìn)一步考證。本研究采用不同厚度的定向凝固合金DZ125進(jìn)行持久性能研究，與標(biāo)準(zhǔn)試樣（直徑5 mm）持久壽命進(jìn)行對比，并分析壁厚對持久壽命及斷裂機(jī)制的影響規(guī)律[7-12]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為定向凝固合金DZ125，它具有高溫強(qiáng)度高、綜合性能好、組織穩(wěn)定及鑄造工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)。DZ125合金的主要化學(xué)成分見表1。采用真空感應(yīng)爐熔煉母合金，真空定向凝固爐重熔澆注成定向凝固合金DZ125。合金熱處理制度為：1 290 ℃/1 h+1 300 ℃/2 h+1 315 ℃/4 h/空冷+1 120 ℃/4 h/空冷+870 ℃/32 h/空冷。圖 2為DZ125合金鑄造持久試樣的形狀和尺寸，壁厚范圍為0.5～1.5 mm。圖3為薄壁鑄造蠕變試樣。根據(jù)葉片工作狀態(tài)的實(shí)際服役溫度，確定持久試樣測試溫度條件為760～1 040 ℃，持久試驗(yàn)在國產(chǎn)高溫微控電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。用Zeiss Supra55型掃描電子顯微鏡觀察試樣斷口形貌。

表 1 DZ125合金的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Main chemical composition of DZ125 alloy (mass fraction /%)

圖 2 DZ125合金板狀鑄造薄壁持久試樣Fig.2 DZ125 plate-like casting thin-walled specimen for stress rupture testing

圖 3 DZ125合金板狀鑄造蠕變試樣Fig.3 DZ125 plate-like casting thin-walled specimen for creep testing

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金的持久性能

1）DZ125合金鑄造試樣持久性能。

為比較鑄造薄壁試樣與圓棒試樣的持久性能的差別，本研究引用了《航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)用材料數(shù)據(jù)手冊》（第三冊）中的DZ125圓棒試樣持久數(shù)據(jù)，定義壽命比為鑄造薄壁試樣持久壽命與圓棒試樣持久壽命的比值，并將該壽命比作為縱坐標(biāo)，鑄造試樣的厚度作為橫坐標(biāo)。圖4為760、850、980和1 040 ℃下，鑄造薄壁試樣壽命比–試樣厚度曲線圖。鑄造試樣的厚度為0.6～1.1 mm之間，從圖中可以看出，在850 ℃下，0.6～1.1 mm厚度的壽命比約為1.0～1.2，這意味著DZ125的鑄造薄壁試樣持久壽命要等于或略高于標(biāo)準(zhǔn)圓棒，故在850 ℃、0.6～1.1 mm范圍內(nèi)薄壁效應(yīng)不明顯。而在980～1 040 ℃溫度下，厚度為0.5～1.1 mm，壽命比均小于1.0，這說明該溫度和厚度范圍內(nèi)的所有試樣持久壽命均要低于相應(yīng)的圓棒壽命，且隨著厚度的減小，薄壁試樣的壽命逐漸降低，980、1 040 ℃下壽命比的范圍分別約為0.15～0.9和0.8～1.0，厚度在0.5 mm左右時(shí)，980 ℃下的薄壁效應(yīng)要明顯高于1 040 ℃，而厚度在1.1 mm左右時(shí)，薄壁效應(yīng)不明顯，薄壁試樣與圓棒持久壽命基本相當(dāng)。

圖 4 不同溫度下的DZ125鑄造薄壁試樣壽命比–厚度曲線Fig.4 Relationship between life ratio and thickness of DZ125 casting thin-walled specimens under different temperature

2）DZ125合金鑄造試樣和線切割試樣的持久性能。

結(jié)合薄壁研究通常采用線切割試樣的現(xiàn)狀，對不同取樣方式獲得試樣的持久壽命也進(jìn)行比較。其中，線切割試樣取自毛坯圓棒，葉片試樣是通過對DZ125葉片進(jìn)行線切割，并磨去背面筋梁等特征結(jié)構(gòu)獲得。

圖5為980 ℃、160 MPa條件下，3種不同形式試樣（鑄造試樣、線切割試樣和葉片取樣）的持久壽命–厚度曲線。DZ125葉片在加工處理后取樣，厚度為0.42～0.47 mm時(shí)，其壽命也維持在120～150 h之間，約為手冊DZ125材料圓棒壽命（600 h）的20%，這與相近厚度的線切割試樣壽命基本一致，由于薄壁鑄造水平的限制，未能獲得0.5 mm以下的試樣，因此無法進(jìn)行小于該厚度的3種加工試樣持久壽命的直接對比。從圖6中也可以看出，同厚度的線切割試樣持久壽命要明顯低于鑄造試樣。

圖 5 DZ125合金不同薄壁形式厚度–持久壽命曲線Fig.5 Relationship between stress rupture life and thickness of DZ125 thin-walled specimens from different sources

2.2 DZ125合金蠕變性能

將同一條件下的DZ125合金薄壁試樣蠕變數(shù)據(jù)與手冊中圓棒試樣的蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。薄壁試樣與圓棒試樣全蠕變曲線（圖6a）和前300 h的蠕變曲線（圖6b）進(jìn)行對比可知，在950 ℃、197 MPa下，圓棒試樣壽命明顯高于薄壁試樣壽命，0.6 mm厚度的試樣壽命約為圓棒試樣的50%，1.1 mm厚度的試樣壽命約為圓棒試樣的80%，在前300 h時(shí)，0.6 mm厚度的試樣蠕變速率最快，1.1 mm厚度的試樣與圓棒基本持平。0.6 mm厚度的試樣蠕變速率在150 h左右開始快速增加，而1.1 mm厚度的試樣蠕變速率在250 h之后才開始有所增快，圓棒試樣蠕變速率在300 h以內(nèi)基本不變。

而在850 ℃、430 MPa下，薄壁試樣蠕變壽命與圓棒試樣基本一致，但斷裂蠕變應(yīng)變明顯小于圓棒試樣，在此條件下薄壁試樣的延性比圓棒試樣?。▓D7a）。比較前400 h的蠕變曲線（圖7b）可以看出，薄壁試樣和圓棒試樣蠕變速率均有明顯的增長趨勢，1.05 mm厚度的試樣蠕變速率低于圓棒試樣，而1.105 mm厚度的試樣與圓棒試樣蠕變速率基本持平，0.6 mm厚度的試樣蠕變速率最慢。

2.3 合金薄壁持久斷裂行為

圖 6 DZ125合金縱向薄壁試樣和圓棒950 ℃、197 MPa下的蠕變曲線對比Fig.6 Creep curves of DZ125 longitudinal thin-walled specimens and round specimens under 950 ℃/197 MPa

圖8是DZ125合金持久薄壁斷口SEM圖。從斷口形貌上可以看出，試樣宏觀斷口表面較為粗糙，氧化嚴(yán)重，圖8a中A、B、C三區(qū)較平坦，三區(qū)面積之和占整個(gè)斷口面積約2/3，其余斷口與平坦區(qū)域呈一定夾角，分析認(rèn)為該三區(qū)為首先發(fā)生持久開裂的位置。從試樣局部放大觀察，邊緣區(qū)域氧化程度較內(nèi)部嚴(yán)重。試樣內(nèi)部由大量深淺和尺寸不一的淺韌窩組成，還可見孔洞，在一些韌窩中還可見碳化物，碳化物的存在往往會成為裂紋源。合金在凝固時(shí)，晶界和枝晶間是最后凝固的部分，因而含有較多的碳化物和鑄造缺陷，如縮孔、夾雜等。這些缺陷處也可能成為裂紋的萌生處。一般定向凝固合金厚板持久斷裂源區(qū)位于試樣中部夾雜、碳化物等缺陷處；本研究中的薄壁試樣斷裂主要從板寬兩側(cè)起源，與厚板持久斷裂斷口特征存在差異。

3 結(jié)論

1）在 760～1 040 ℃ 的溫度范圍內(nèi)，DZ125定向凝固合金薄壁試樣的持久壽命明顯低于標(biāo)準(zhǔn)試樣，表現(xiàn)出顯著的薄壁效應(yīng)。

2）DZ125定向凝固合金在950 ℃/197 MPa下的蠕變性能表明，圓棒試樣壽命明顯高于薄壁試樣壽命，0.6 mm厚度的試樣壽命約為圓棒試樣的50%，1.1 mm厚度的試樣壽命約為圓棒試樣的80%，表明材料在950 ℃下有薄壁效應(yīng)。

3）從DZ125定向凝固合金薄壁試樣的高溫持久損傷在斷口可知，試樣宏觀斷裂主要從板寬兩側(cè)起源，微觀斷裂起源于試樣內(nèi)部較多的碳化物和鑄造缺陷。