高温合金IC10的疲劳行为研究

畅一鹏，张宏建，卢孔汉，温卫东，崔海涛

(南京航空航天大学 能源与动力学院，江苏 南京 210016)

0 引言

IC10合金是我国研制的新一代Ni3Al基定向凝固高温合金，具有密度低，比强度高，熔点高，抗高温氧化性好的特点。目前已被应用到航空发动机上的涡轮导向叶片和其他高温结构件[1]。由于高温低周疲劳是热端部件在恶劣工作环境中主要的承载形式之一，热端部件在长时间的高温环境服役时，疲劳损伤引起的失效问题占零部件总失效问题的六成左右[2]。因此，开展IC10在高温环境下疲劳行为研究有助于完善材料结构强度的设计分析以及提高材料的工程应用价值。

镍基高温合金在进行高温低周疲劳试验时，由于温度、循环载荷以及其他环境因素的作用，材料往往表现出异于常温状态下的力学行为[3]。近些年来国内许多学者对高温合金的疲劳行为以及本构关系开展了大量研究，张仕朝[4]在进行GH3030合金循环实验中发现，不同的应变比下循环应力-应变曲线产生一定程度上的平移，但是曲线形状不会改变。安金岚[5]研究发现GH4169合金在高温低周疲劳试验中发生循环软化现象。肖磊[6]等发现，高温合金WZ4在980 ℃下均表现循环稳定特征，其中循环软化与循环硬化二者达到了动态均衡效果。

本文开展了IC10合金在600 ℃下应变水平为0.75%、0.85%以及1.00%的拉-压循环试验研究，并对其断口进行了微观观测分析，判断其失效机理。

1 试验方案设计

本文研究对象为IC10合金，属于定向凝固高温合金，该类合金的相主要是分为基体相γ相和强化相γ′相，此外还有葵花状的共晶相γ+γ′，骨架状的碳化物MC(1)和在共晶附近块状的MC(2)。IC10合金的质量分数如表1所示。

表1 IC10合金质量分数 单位：%

试样设计参照《金属材料高温拉伸试验方法GB/T4338-2006》和《金属材料疲劳试验轴向应变控制方法》，并结合疲劳试验机MTS-370，试样总长为102mm，标距段长为14mm，标距段直径为5.5mm，试样夹持端和夹具采用螺纹连接。具体尺寸及形位公差如图1所示。

IC10合金600℃的恒温疲劳试验的热环境通过高温环境箱实现。在加热到指定温度后保温30min，使试样温度均匀分布以防止疲劳试验过程中产生较大的热梯度。

图1 试验件设计图

2 疲劳循环应力应变曲线

IC10合金600℃恒温低周疲劳试验，采用轴向应变控制，加载应变速率为6.0×10-3s-1，应变比R=-1，加载波形为三角波，应变水平分别为Δεt/2等于0.75%、0.85%和1.00%，试验终止条件为试样断裂或最大应力下降30%。试验结果如图2、图3所示。

图2 IC10合金600℃下的循环应力-应变曲线

由图2中可知：LCF(低周疲劳)试验单个循环内，应力与应变保持着良好单调变化关系，应力值始终随着应变加载而增大，随着应变卸载而减小。随着应变水平的增加，材料循环的迟滞特征愈发明显，随着循环周次的增加，材料的应力逐渐增大，表现出明显的循环硬化特征，并且循环应力-应变曲线表现出拉-压不对称。

由图3可知：在3种载荷水平下，IC10合金循环应力响应特征基本相同，均表现为初始循环硬化，随后保持循环稳定并在最终断裂前出现应力突降。造成这种破坏的主要原因是：IC10合金的微观结构中除了γ′相外还存在相当数量的γ相。材料在承受低周疲劳载荷作用时，位错在γ相上大量出现，随着变形的不断重复，在胞壁上位错的增值以及位错与强化相之间的交互作用对位错运动产生阻碍，应力也随之逐步增大，增大了材料的变形抗性，在宏观上表现为所需外加载荷随循环数增加而增大。于慧臣[7]指出镍基定向凝固合金在760℃以下表现为宏观硬化主要与基体相中的位错缠结有关，杨功显[8]等则认为，镍基合金在不同温度下的循环硬化现象主要与位错切割机制相关。

图3 IC10合金600 ℃下的峰谷值应力曲线

3 断裂特性分析

图4为各个应变水平下试样的宏观断口示意图，对其进行目测分析，可以得到：在0.75%应变水平下，断口表面较为光滑且平整，有金属光泽，呈现为V型试样断口;而在0.85%、1.00%应变水平下，断口表面不平整且粗糙，呈现为斜断口，并带有不同程度的花纹状，这表明疲劳应力越大，单次造成的破坏越大，表面越粗糙。

图4 不同应变水平下的宏观断口图

为进一步研究IC10疲劳的断裂机理，本文对各个应变水平下试件断口进行SEM观测，图5为样品的断口形貌图。

图5(a)-图5(c)为应变水平为0.75%的不同放大倍数的断口形貌图，其中低、中倍下可以明显观察到断口存在大量滑移线，主要为拉压循环中断面之间相互摩擦导致；同时也可以明显观测到断面分布较多的裂纹与空洞的微观形貌。放大倍数则可以明显看到在微孔旁边产生大量的裂纹，这表明合金在未形成裂纹前随着循环次数的增加，不断产生滑移，当循环到一定程度时由于滑移挤压导致心部产生了裂纹和微孔从而断裂。

图5(d)-图5(i)为应变水平为0.85%及1.00%的断口形貌图，其中在低倍下存在大量的台阶形貌，并且台阶的高度差较大，同时伴随着部分舌状花样；在中、高倍下可以看到裂纹沿晶粒内部穿过，为明显的穿晶断裂，断口存在部分韧窝，随着应变水平的增加，韧窝数量增加，较为紧密。这表明断裂主要以穿晶断裂为主，同时伴随着少量的韧窝聚集型断裂。

以上分析表明：IC10合金在低应变水平循环实验时，主要以疲劳断裂为主，在周期性载荷下发生局部滑移现象，并且滑移面取向呈现45°夹角，晶粒断面沿平面延伸，同时由于内部挤压产生显微空穴以及裂纹，并且裂纹逐渐扩展直至断裂。随着应变水平的提高，材料的滑移水平不断提升，晶粒内部位错急剧增加，导致晶粒强度下降，裂纹从晶粒内部萌生，从而导致穿晶断裂，同时在基体与晶粒之间大量的位错塞积、聚合产生如图5(f)和图5(h)中明显可见的微孔洞，随着循环的增加，孔洞逐渐生长聚集造成部分韧窝的产生。因此IC10合金主要表现为宏观上延性穿晶断裂，微观上，在低应变水平下主要以滑移条带为主，随着应变水平的增加，逐渐表现为微孔聚合型断裂。

图5 断口微观形貌图

4 结语

本文针对IC10合金开展了600℃高温环境下的低周疲劳试验研究，分析了材料的力学行为与断裂机制，

1) IC10高温合金在单个载荷内应力与应变保持单调变化关系，循环响应迟滞回线关于原点不对称。在整体寿命周期内，循环应力响应特征主要表现为初始循环硬化后进入循环稳定阶段，并在最终断裂前出现应力下降情况。IC10合金在承受低周疲劳载荷作用时，大量位错集中于基体γ相，随着循环的进行，胞壁位错密度增大，在宏观上表现为所需的外载荷随着循环次数的增加而增大。

2) IC10合金呈现出多种疲劳裂纹特征。在低应变水平下，材料断口表面光滑平整，且具有大量的滑移线；而在高应变水平下，材料表面粗糙且凹凸，微观上存在韧窝以及二次裂纹等，这主要与晶粒内部位错的增加以及晶界处微孔的产生有关。