DD6 单晶高温合金非对称循环载荷低周疲劳性能及断裂机制

李 维, 赵春玲, 张 鑫, 王 强, 李 璞, 方 向, 彭文雅

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412000）

镍基单晶高温合金因其优异性能被广泛用于制造航空发动机涡轮叶片[1-2]。第二代单晶高温合金DD6 由我国自主成功研制，其性能优于或达到国外广泛应用的同代合金，且具有低成本的优势[3-4]，以其优异的高温性能己在我国多种先进航空发动机上获得广泛应用[5]。先进航空发动机涡轮工作叶片必须达到多种性能要求以满足其非常苛刻的服役环境。高温服役中叶片长期承受交变应力或震动应力，疲劳失效现象经常发生[6-7]，所以针对DD6 合金的疲劳性能进行了大量的研究[8]。在疲劳过程中，碳化物容易导致显微裂纹的萌生和扩展，与DD5 合金相比，DD6 合金的碳含量较少，具有较高的高周疲劳性能[9]。试样表面腐蚀会降低合金760 ℃的疲劳性能，且对低应力幅的疲劳寿命影响较小，而对高应力幅的疲劳寿命影响较大，表面腐蚀对合金980 ℃的疲劳性能影响很小[10]。试样表面的等轴和胞状再结晶减小了DD6 单晶合金的高周轴向疲劳寿命，等轴再结晶的影响大于胞状再结晶，其断裂机制为类解理和局部韧窝断裂共存的混合断裂，且为多源疲劳断裂[11]。涡轮叶片气膜孔的形状及特征[12-13]、由抽拉速率不同所导致的γ′相的尺寸差异[14]、晶体取向[15-16]等因素都会影响DD6 合金的疲劳性能，实验条件也是影响单晶合金的疲劳性能的主要因素[17-18]。上述DD6 单晶合金疲劳性能研究都是对称循环载荷（应变比R为-1）情况下进行的，目前对非对称循环情况下的疲劳性能研究很少，但单晶涡轮叶片服役时主要承受的应力为非对称循环载荷[19]；涡轮叶片与涡轮盘连接的榫头部位，长期承受交变应力而可能发生低周疲劳损伤，并且叶片榫头的工作温度处于中温；所以，开展中温非对称循环载荷下单晶合金低周疲劳性能的研究具有重要的意义。本工作研究了[001]取向DD6 合金700 ℃非对称循环载荷、应变比R为0.05 条件下的中温低周疲劳性能，并利用扫描电镜分析其疲劳断裂机理，为DD6 合金的工程化应用提供数据支持。

1 实验材料及方法

采用定向凝固炉制备[001]取向的DD6 单晶高温合金试棒，合金化学成分见表1。用X 射线分析仪检测试棒的晶体取向偏离度，试棒的[001]结晶取向与主应力轴方向的偏差在15°以内。单晶试棒在电阻加热炉中进行固溶热处理和两级时效处理。固溶处理制度为1290 ℃/ 1 h+1300 ℃/ 2 h+1315 ℃/ 4 h+空冷，一次时效制度为1120 ℃/ 4 h+空冷，二次时效制度为870 ℃/ 32 h+空冷。热处理后单晶试棒加工成Kt=1 的低周疲劳试样，试样尺寸和形状如图1 所示。将低周疲劳性能试样置于MTS-370 疲劳试验机上进行应变（Δεt）控制的低周疲劳实验，测试标准为GB/T 15248-2008。实验温度700 ℃，应变比R=0.05，应变速率为5×10-3s-1，加载载荷波形为三角波，实验环境为大气环境，每个试样均进行至断裂为止。利用扫描电镜观察试样的热处理组织、断口形貌和断裂显微组织。

表1 DD6 合金的名义成分（质量分数/%）Table 1 Nominal chemical compositions of DD6 alloy（mass fraction/%）

2 结果与分析

2.1 合金热处理组织

图2 为DD6 合金经过固溶处理和两级时效处理后的显微组织。由图2 可以看出，合金热处理组织由γ′析出强化相和γ 基体相组成，γ′相立方化良好。合金在固溶保温过程中，共晶相全部溶解，所有γ′析出强化相回溶，获得单相的γ 基体组织，在冷却过程中大量的γ′相从γ 基体相中析出，再经过两级时效处理，获得立方状规则的γ′相组织。

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图2 DD6 合金的热处理组织Fig.2 Heat treatment microstructure of DD6 alloy

2.2 低周疲劳寿命

DD6 合金700 ℃条件下的应变-寿命曲线如图3 所示，其中，∆εt/2 是应变幅，∆εe/2 是弹性应变幅，∆εp/2 是塑性应变幅，∆σ/2 为应力幅。由图3 看出，随着应变幅增加，合金的低周疲劳寿命降低，合金非对称循环条件下具有良好的中温低周疲劳性能。过渡疲劳寿命NT定义为弹性应变幅等于塑性应变幅时的疲劳寿命。从图3 可以看出，DD6 合金没有过渡疲劳寿命NT，这说明合金在中温非对称循环低周疲劳循环中起主要作用的为弹性应变，材料的强度对寿命起决定作用，与对称循环实验条件下DD6 合金中温疲劳的情况相同[15]。

图3 700 ℃时DD6 合金疲劳寿命与应变幅的关系 （a）总应变幅；（b）弹性与塑性应变幅Fig.3 Relationship between strain amplitude and fatigue life of DD6 alloy at 700 ℃ （a）total strain amplitude；（b）elastic and plastic strain amplitude

（1）通过研究获得了DD6 合金700 ℃、R为0.05 的低周疲劳Coffin-Manson 方程。

由图5 还可以看出，在显微孔洞处形成显微裂纹后，裂纹先沿垂直于应力方向的曲面进行扩展，后沿{111}平面扩展。由于显微孔洞形状极不规则，孔洞边缘不同位置显微裂纹汇聚形成一个不规则的弯曲曲面向试样中部扩展。靠近源区的扩展曲面上有明显的放射线。在曲面上可观察到明显的疲劳条带特征，见图6（a）和（b）。循环变形过程中，裂纹发生张开与闭合，尖端发生塑性变形，在断口的上下表面形成隆起的条纹，即为疲劳条带，它是疲劳裂纹稳定扩展微观形貌的典型特征，也是疲劳断裂失效的基本判据[25]。从图6（a）和（b）可以看出，疲劳条带的条纹相互平行，条带方向垂直于局部疲劳裂纹扩展方向并沿扩展方向向外凸，可以推测两个试样的裂纹扩展方向都是从右向左，疲劳条带中可见类解理台阶特征，通过类解理台阶疲劳裂纹可在不同扩展面上进行转换。从弯曲曲面扩展到{111}面扩展的过渡区域，可见类解理台阶形貌和二次裂纹形貌特征，类解理台阶为{111}小平面，如图6（c）所示。随着疲劳裂纹扩展进程增加，类解理台阶的尺寸逐步增加，最后在较大的{111}平面上扩展。在扩展{111}面上可见典型的河流花样特征，如图6（d）所示。

表2 DD6 合金非对称循环载荷下的低周疲劳参数Table 2 Low cycle fatigue parameters of DD6 alloy under asymmetrical cyclic loading

2.3 循环应力-应变行为

材料的循环应力-应变性能反映了在低周疲劳过程中材料的真实应力-应变特征，是低周疲劳性能研究的重要方面之一。应力应变曲线又称为循环滞后环，它的面积即为循环滞后能密度。低周疲劳损伤由试样吸收的滞后能密度来控制，因此使用循环滞后环线的面积可以来描述材料的疲劳损伤行为。图4 为DD6 合金在不同总应变幅下半衰期循环和最后一个循环周次的应力应变曲线。由图4 可以看出，在总应变幅为1.1%的和1.6%的情况下，合金的半衰期循环滞后环基本为直线；在总应变幅为1.9%的情况下，半衰期循环滞后环，以及三个总应变幅条件下最后一个循环滞后环几乎为直线；上述情况表明疲劳过程基本上为弹性变形，塑性变形量极小，且塑性变形主要发生在拉应力最后阶段，随着总应变幅的增加，半衰期循环滞的面积增多，塑性变形的疲劳损伤增加。

图4 合金不同条件下的滞后环 （a）Δεt/2=1.1%， Nf=10171， 半衰期循环；（b）Δεt/2=1.1%， Nf=10171， 最后一个循环；（c）Δεt/2=1.6%， Nf=924， 半衰期循环；（d）Δεt/2=1.6%， Nf=924， 最后一个循环；（e）Δεt/2=1.9%， Nf=349， 半衰期循环；（f）Δεt/2=1.9%， Nf=349， 最后一个循环Fig.4 Typical hysteresis loops of the alloy at different conditions （a）Δεt/2=1.1%， Nf=10171， half-life cycle；（b）Δεt/2=1.1%，Nf=10171， last cycle；（c）Δεt/2=1.6%， Nf=924， half-life cycle；（d）Δεt/2=1.6%， Nf=924， last cycle；（e）Δεt/2=1.9%，Nf=349， half-life cycle；（f）Δεt/2=1.9%， Nf=349， last cycle

2.4 低周疲劳断口分析

水平裂缝，双侧向差异较小和无差异，对于45°裂缝，双侧向呈“负差异”，且差异幅度越大，裂缝越发育，即裂缝的张开度越大，裂缝密度、裂缝孔隙度、裂缝径向延伸深度越大，双侧向测井电阻率比基质岩石电阻率下降幅度也越大。

裂纹扩展主要取决于应力状态、微观组织以及材料的晶体结构特征，裂纹一旦萌生，应力就获得释放，因此裂纹的扩展主要依赖于合金的微观组织和晶体结构[26]。镍基单晶高温合金为面心立方晶体结构，其主要的塑性变形机制为滑移。单晶合金通常沿原子排列密度最大的晶体平面和晶体方向进行滑移，在700 ℃的中温下开动八面体滑移系。滑移可以在两个不同的{111}平面上交替进行，形成主滑移系与次滑移系，从而疲劳断口上形成了类解理平面台阶特征，二次扩展裂纹即为次滑移系开动形成的滑移面。二次扩展裂纹能够松弛裂纹尖端的应力集中，降低疲劳裂纹的扩展速率[27]。因此，700 ℃下DD6 合金的低周疲劳断裂机制为类解理断裂，这与其他文献的分析结果一致[28]。

图5 为合金低周疲劳的整体形貌与源区断口特征。从图5 的整体断口特征可以看出，低周疲劳断口由裂纹源区，裂纹扩展区和瞬断区组成，其断裂机制为类解理断裂。由图5（a）、（b）看出，断口上存在一个疲劳裂纹源，裂纹起源于疲劳试样亚表面的显微孔洞处。由图5（c）、（d）、（e）看出，试样应变幅较大，有两处疲劳源，为表面和亚表面的显微孔洞。由图5（g）、（h）可以看出，试样有一处疲劳源，裂纹萌生于试样远离表面的显微孔洞，形成了典型的“鱼眼”形貌。相对于周围区域具有放射状条纹的扩展区，“鱼眼”源区较为平滑，三个不规则的显微孔洞排列于“鱼眼”中心区域。在交变载荷应力下，显微孔洞上容易导致应力集中，因此疲劳裂纹容易在表面、亚表面或近表面的显微孔洞处萌生，这与其他单晶高温合金疲劳裂纹的起源位置相同[21-22]。“鱼眼”为等轴晶合金高周或超高周疲劳的典型裂纹源区特征形貌[23-24]，DD6合金的低周疲劳断口出现“鱼眼”形貌，这说明DD6 合金具有良好的低周疲劳性能，显示出其他合金高周或超高周的疲劳断裂特征。

图5 疲劳断口整体形貌和源区形貌 （a）、（b）Δεt/2=1.3%， Nf=4554；（c）、（d）、（e）Δεt/2=1.6%， Nf=832；（f）、（g）、（h）Δεt/2=1.1%， Nf=18133Fig.5 Overall morphology of fatigue fracture surface and crack initiation site （a），（b）Δεt/2=1.3%， Nf=4554；（c），（d），（e）Δεt/2=1.6%， Nf=832；（f），（g），（h）Δεt/2=1.1%， Nf=18133

式中：E为弹性模量；Nf为疲劳寿命；σf′为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数；εf′为疲劳延性系数；c为疲劳延性指数。依据方程（1），对实验数据进行处理，获得了DD6 合金700 ℃的应变疲劳参数，如表2 所示。由表2 获得DD6 合金的Coffin-Manson方程如下：

图8 为低周疲劳试样断裂后的组织形貌。由图8 看出，合金塑性变形不均匀，疲劳断口附近区域的γ′相形状不再保持立方形状，发生了严重塑性变形，而心部区域的塑性变形较小，γ′相仍保持立方状形态。断口附近可见滑移带，滑移带方向与试样[001]取向的夹角大约为45°，有二次裂纹沿滑移带形成。文献提出滑移带的出现是LCF 损伤的先兆，滑移带与总应变量密切相关，随着总应变幅的增加，出现滑移带的时间减少[29]。

图7 疲劳断口瞬断区特征形貌 （a）、（b）Δεt/2=1.6%，Nf=924；（c）Δεt/2=1.1%，Nf= 10171；（d）Δεt/2=1.1%，Nf=18133Fig.7 Characteristics of the final fracture zone （a）、（b）Δεt/2=1.6%，Nf=924；（c）Δεt/2=1.1%，Nf= 10171；（d）Δεt/2=1.1%，Nf=18133

河道周边的绿化，要做到层次化和空间化,种植密度不宜过大，树木种类要较为丰富些，不同的流域要有不同的景观。通常会以高达的乔木作为背景，将亚乔木、灌木、草花及地被作为组团。水生植物和湿地植物要注重色彩的搭配，要体现出水体的美感。设计人员在设计城市河道道路景观时，要坚持自然、淳朴的思想理念，做好将城区运输道路与休闲道路分隔开，将河道周围的道路与植物区域、小区公园等相融合在一起，设计出丰富多变的景观区域，让前来休闲放松的人们能够享受到更加舒适的自然美。本项目市政道路改造措施为，新建8条市政道路，总里程约5km；新建5座景观桥梁。

2.5 实验后显微组织分析

断口瞬断区特征见图7。由图7 可见，瞬断区存在许多的类解理平面与撕裂棱。随着裂纹不断扩展，试样承载载荷的面积减小，最后试样瞬间断裂。瞬断区的类解理面为{111}面，在类解理面上可见两个方向相交的滑移线形貌，见图7（b）。

图8 疲劳断裂组织 （a）、（b）、（c）Δεt/2=1.1%， Nf=18133；（d）Δεt/2=1.6%， Nf=832;（e）、（f）Δεt/2=1.9%， Nf=288Fig.8 Microstructue of specimen after fatigue fracture （a），（b），（c）Δεt/2=1.1%， Nf=18133;（d）Δεt/2=1.6%， Nf=832；（e），（f）Δεt/2=1.9%， Nf=288

3 结论

在应变低周疲劳过程中，用弹性分量与塑性分量之和来表示疲劳寿命与总应变幅的关系，即Coffin-Manson 方程[20]，DD6 合金的应变-疲劳寿命曲线方程如式（1）所示：

戴笠这次派特务无故搜家，更激起黄炎培的无比愤慨。他想，你戴笠没有抓到我什么把柄，我这回一定不饶你。不然，特务们以后还要来欺负的。

（2）随着应变幅增加，合金的低周疲劳寿命降低；合金在非对称循环条件下具有良好的中温低周疲劳性能，合金不存在过渡寿命，低周疲劳过程中弹性应变起主要作用，塑性变形量极小。随着总应变幅的增加，塑性变形损伤增加。

研究对象来自怀化学院文理科各个非英语专业的本科生，共474人。所有研究对象都已完成三个学期的大学英语学习并通过大学英语四级。研究方法主要采用问卷调查的形式，并对部分学生进行了有针对性的访谈。

（3）疲劳断口由疲劳源区，裂纹扩展区和瞬断区三部分组成，其断裂机制为类解理断裂。裂纹先沿与主应力垂直方向扩展，然后沿{111}平面扩展，疲劳裂纹萌生于试样的表面、亚表面、或远离表面的显微孔洞，近表面起裂断口有“鱼眼”特征；裂纹扩展区有典型的疲劳条带、类解理台阶、河流状花样特征；瞬断区有类解理平面、滑移带、撕裂棱特征。

（4）离断口远处γ′相仍保持立方状形态，断口附近可见滑移带，二次裂纹沿滑移带形成。