IC10单晶高温合金室温和750 ℃高周疲劳行为

张帅奇，王帅，宗毳，陈升平，张强，谭永宁

(北京航空材料研究院 先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京 100095)

IC10单晶高温合金室温和750℃高周疲劳行为

张帅奇，王帅，宗毳，陈升平，张强，谭永宁

(北京航空材料研究院 先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京 100095)

在涡轮叶片服役过程中，疲劳是其失效的重要原因之一，而已有研究主要针对不同应变速率下IC10合金1 100 ℃低周疲劳性能展开，本文研究定向凝固IC10单晶高温合金静态空气介质环境下室温和750 ℃高周疲劳性能。在应力比R=-1、f≈83.3 Hz条件下，进行高周疲劳试验，并利用扫描电镜对疲劳断口进行观察;基于试验观测结果，讨论室温和750 ℃下IC10单晶高温合金高周疲劳性能差异的内在机制。结果表明： IC10单晶室温疲劳强度为288 MPa，750 ℃疲劳强度为416 MPa;裂纹萌生于试样表面或近表面缺陷处，断口主要由裂纹萌生区、稳态扩展区和组成。

IC10单晶合金；高周疲劳性能；疲劳裂纹；疲劳强度

0 引 言

镍基高温合金因良好的组织稳定性、抗蠕变性和抗氧化等优点，被广泛用于制造航空发动机涡轮叶片[1]。IC10合金是一种Ni3Al基铸造镍基高温合金，具有优良的抗高温氧化性能、耐腐蚀性能，同时铸造性能突出，可作为1 100 ℃使用的涡轮导向叶片材料[2]。目前，在IC10力学性能测试方面的研究主要体现在以下方面：IC10定向凝固高温合金450～990 ℃时的热/机械疲劳裂纹扩展行为[3]；IC10合金在室温及高温下的单向拉伸性能[4]；IC10合金在高温下的蠕变机理[5]；热障涂层对IC10合金力学性能的影响[6]；不同加载路径时，双向拉伸状态下的IC10合金的屈服行为[7]。

在涡轮叶片服役过程中，疲劳是其失效的重要原因之一。为此，研究高温合金的疲劳行为，对合金设计及叶片寿命预测都具有重要的意义。在IC10合金疲劳性能研究方面，已有研究主要针对不同应变速率下IC10合金1 100 ℃低周疲劳性能展开[8]。与低周疲劳相比，该合金的高周疲劳研究尚未有报道。为此，从工程应用的角度，有必要对IC10合金在不同服役温度下的高周疲劳性能进行研究，以利于其在发动机关键部件中更合理、有效地应用。

本文采用升降法计算IC10单晶试样在室温和750 ℃下的疲劳极限，得到试样的S-N曲线；通过断口形貌分析，探讨不同温度下疲劳断裂差异的机制。

1 试验材料与方法

试验用IC10母合金在500 kg真空感应炉中熔炼，浇注成φ80 mm的合金锭，合金成分如表1所示。采用快速凝固法在真空感应炉中将母合金通过螺旋选晶法浇铸成单晶试棒。采用EBSD技术测定其晶体取向，将晶体取向偏离(lt;0 0 1gt;取向)10°以内的试棒通过固溶和时效处理。固溶处理工艺为：1 180 ℃×2 h+1 265 ℃×2 h，空冷。时效处理制度为：1 050 ℃×4 h，空冷。将热处理后的IC10单晶试棒制成旋转弯曲疲劳试样，其形状尺寸如图1所示。

表1 IC10合金的化学成分

在高频疲劳试验机上进行载荷控制的疲劳试验。试验温度分别为室温和750 ℃，试验条件为应力比R=-1、频率f≈83.3 Hz，根据试验结果绘制合金的高周疲劳S-N曲线，并确定疲劳循环次数Nf=107时的疲劳强度。使用扫描电镜(SEM)观察疲劳断裂后试样的疲劳断口，分析其疲劳断裂机制。

2 试验结果与讨论

2.1 合金的显微组织

IC10单晶铸态显微组织如图2所示，照片显示IC10单晶铸态组织以γ′相和γ+γ′共晶相为主，并含有少量鱼骨状碳化物析出相，γ′相尺寸不规则，枝晶干γ′相平均尺寸在0.2～0.4 μm，如图2(a)所示。经热处理后，γ+γ′相残余共晶基本消除(如图2(b)所示)，体积分数小于5%，γ′相为较为规则的方形，枝晶干γ′相平均尺寸在0.6～0.9 μm，并有更细小的γ″相析出。

2.2 疲劳性能分析

在室温和750 ℃下，IC10合金旋转弯曲疲劳107疲劳极限升降图如图3所示。可以看出：按照升降图求得两个温度下107疲劳极限分别为：288 MPa(σ25 ℃)和416 MPa(σ750 ℃)；750 ℃下IC10合金旋转弯曲疲劳极限较室温下高约128 MPa，表明750 ℃的疲劳性能优于室温疲劳性能。

疲劳试验S-N曲线如图4所示。

从图4可以看出：与大多数镍基高温合金相同，IC10单晶合金的疲劳寿命随应力的减小而增大；750 ℃旋转弯曲S-N曲线维持在425 MPa左右，曲线斜率变化明显变缓；室温疲劳曲线的平缓段不明显；750 ℃疲劳曲线明显在室温疲劳曲线的上方，表明合金750 ℃时的旋转弯曲疲劳性能要好于室温时的疲劳性能。

2.3 高周疲劳断口形貌

疲劳断口SEM照片如图5所示。

从图5可以看出：IC10单晶合金的室温、中温旋转弯曲疲劳断口均是由裂纹萌生区、稳态扩展区和失稳瞬断区三个部分组成；合金在各种条件下的高周旋弯疲劳断口中无一例外出现了放射状条纹特征，表面无论应力大小，疲劳裂纹均起源于试样表面和近表面。其根本原因在于试件受到交变载荷的作用，合金发生滑移形成滑移带，滑移到试棒表面时，在上面形成“挤出”或“侵入”，经过一定循环周次后，在表面薄弱区域产生足够的应力集中或孔洞，随即在试样表面产生疲劳裂纹源[9]。

疲劳裂纹形成后沿易滑移面进行扩展，由于单晶高温合金为面心立方结构，中温下的变形机制为八面体滑移[10]，可知扩展平面与试样中心轴的夹角约为50°，表明断裂平面为lt;1 1 1gt;面。疲劳裂纹的稳态扩展区比较平整，它是由于疲劳裂纹扩展过程中，已经开裂表面在循环应力作用下不断发展磨损造成的。IC10单晶合金的旋转弯曲疲劳断口的瞬断区呈现出典型的枝晶间断裂和韧窝断裂，如图6所示。疲劳裂纹的扩展使得横截面积不断减小，作用在试样上的应力逐渐增大。当应力强度因子超过合金的断裂韧度时，试样在拉应力作用下发生失稳断裂。

此外，从图5可以看出：在相同温度下，较高应力状态下的稳态扩展区面积小于较低应力状态。造成上述现象的原因在于：在裂纹快速扩展阶段，开动的滑移系数量多，除了在lt;1 1 1gt;滑移面内进行滑移外，位错可以离开原来的滑移面继续运动；在高应力状态下，滑移方式的转变更为剧烈，滑移速度快，在两者的综合作用下，导致其稳态扩展区较小。

同时，从图5可以看出：在相同应力下，750 ℃试样的稳态扩展区面积要大于25 ℃的试样。这是由于温度升高，应力强度因子范围较高，滑移系易于开动，裂纹扩展开始沿多个滑移系统同时或交替进行，从而增大了稳态扩展区面积。

3 结 论

(1) 在应力比R=-1，频率f≈83.3 Hz和实验室静态空气介质环境下，测得IC10单晶高温合金室温下合金的疲劳强度σ25 ℃=288 MPa，750 ℃下疲劳强度σ750 ℃=416 MPa。

(2) IC10单晶高温合金高周疲劳断口由裂纹萌生区、稳态扩展区和瞬时断裂区三部分组成。疲劳裂纹起源于试样表层或亚表层处，在交变载荷作用下，疲劳裂纹沿易滑移面进行扩展，最后发生韧性断裂。

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张帅奇(1987-)，男，硕士，工程师。主要研究方向：高温合金精密铸造。王帅(1982-)，女，博士，工程师。主要研究方向：高温合金精密铸造。宗毳(1985-)，男，博士，工程师。主要研究方向：高温合金精密铸造。陈升平(1989-)，男，硕士，工程师。主要研究方向：高温合金精密铸造。张强(1970-)，男，硕士，高级工程师。主要研究方向：高温合金精密铸造。谭永宁(1966-)，男，硕士，研究员。主要研究方向：高温合金精密铸造。

(编辑：赵毓梅)

HighCycleFatigueBehaviorofIC10SingleCrystalSuperalloyatRoomTemperatureand750℃

Zhang Shuaiqi, Wang Shuai, Zong Cui, Chen Shengping, Zhang Qiang, Tan Yongning

(The Key Laboratory of Advanced High Temperature Structural Materials, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Fatigue is one of the important reason for losing efficacy during the process of turbine blade service, but current study aims at IC10 alloy and low cycle fatigue behavior at different strain rate. The high cycle fatigue properties of single crystal IC10 super-alloy are investigated at room temperature and 750 ℃ in ambient atmosphere in this paper. The high cycle fatigue experiments are tested with ratio of stressR=-1 andf≈83.3 Hz. The fatigue fracture surface morphology is observed by SEM(scanning electron microscope). The internal mechanism of the high cycle fatigue properties of IC10 single crystal super-alloy at room temperature and 750 ℃ is discussed based on the observation. The result shows that the fatigue strength of single crystal IC10 is 288 MPa at room temperature and 416 MPa at 750 ℃. The fatigue cracks mainly originate from defects on surface or subsurface of specimen. The fatigue fractures are composed of fatigue source, steady state extension region and transient fracture zone.

IC10 single crystal super alloy; high cycle fatigue property; fatigue crack; fatigue strength

2017-07-25；

2017-09-18

张帅奇,zhang2309508@163.com

1674-8190(2017)04-486-05

TG132.3+2

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2017.04.018