GH4169合金缺口件蠕變-疲勞交互作用試驗研究

劉勝，胡緒騰，萬煜瑋，宋迎東

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

渦輪盤是航空發(fā)動機的關鍵熱端部件，在發(fā)動機的服役過程中承受著由飛行起落和持續(xù)飛行的循環(huán)載荷與蠕變載荷的共同作用，易在榫槽等高溫應力集中部位產生蠕變-疲勞交互作用[1-2]，故在其壽命評估時需將其納入考慮范圍[3-4]。NASA報告[4]指出，隨著航空發(fā)動機推重比等性能參數的不斷提高，蠕變與疲勞等復雜載荷的耦合作用對渦輪盤強度設計校核與壽命評估變得更為重要。

對于典型渦輪盤合金材料在高溫下的蠕變-疲勞性能和壽命預測問題，國內外已開展許多研究，如LIAN Y D等[5]對加、卸載以及保持時間對GH4169合金光滑圓棒的蠕變-疲勞性能的影響進行了研究。CHEN G等[6]對GH4169光滑圓棒在650℃下進行了疲勞和蠕變-疲勞試驗，并對其斷裂行為進行了細致的分析。WANG R Z等[7]基于能量耗散法則對GH4169合金蠕變-疲勞的單軸壽命預測模型。WANG Q等[8]基于滯后能密度概念對蠕變-疲勞壽命進行了預測。CHEN S Y等[9]基于Walker全應變壽命方程對于蠕變-疲勞的壽命預測進行了研究。然而，國內外大多數研究主要集中于材料級別的蠕變-疲勞性能試驗和壽命分析，針對具有實際輪盤結構應力集中特征的缺口件試驗和分析研究開展得較少。

本文以典型盤用材料GH4169合金為研究對象，根據輪盤榫槽特征設計了缺口特征件，在渦輪盤的典型服役溫度(650℃)下，開展了疲勞、蠕變-疲勞及持久三類試驗，分析了蠕變載荷對缺口件名義循環(huán)變形行為、裂紋萌生及擴展特征、疲勞壽命的影響因素，初步探究了疲勞載荷與持久載荷的交互損傷規(guī)律。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗材料與試驗件尺寸

本文選用直接時效GH4169合金為試驗材料，材料的質量分數為5.04% Nb+Ta，3.12% Mo，19.70%Cr，51.70%Ni，1.01%Ti，0.039%C，0.42% Al，0.15%Si，18.82%Fe。根據渦輪盤榫槽的結構特征，設計了與典型榫槽應力集中系數相近的缺口特征件，試驗件幾何尺寸如圖1所示。其中，缺口形狀為C形，缺口半徑為2.6mm，彈性應力集中系數Kt=1.76。

1.2 試驗方案

為研究循環(huán)載荷和持久載荷交互損傷的作用關系，本文根據渦輪盤的典型服役溫度，設計了疲勞、持久及蠕變-疲勞三類試驗，具體試驗方案見表1。各類試驗的加載示意圖如圖2所示，其中低周疲勞試驗(保載時間為0s)按照三角波進行加載，蠕變-疲勞試驗按梯形波加載，這兩種試驗的加載與卸載時間均控制為1s，采用應力控制。缺口持久試驗(可視為保載時間為∞)的應力水平與另兩類試驗最大應力水平保持一致。為探究缺口件在試驗過程中的變形程度，在疲勞與蠕變-疲勞的試驗過程中均全程搭載引伸計。引伸計的陶瓷杠卡在缺口側面，其中心位置對其缺口根部。

表1 疲勞、蠕變-疲勞與持久試驗方案(650℃)

圖2 高溫疲勞與蠕變-疲勞試驗加載波形示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞與蠕變-疲勞名義應力應變響應

圖3給出了Case01組條件下的半壽命名義應力-應變遲滯環(huán)，其中名義應力為最小截面的平均應力，名義應變?yōu)橐煊嬎鶞y量的位移與引伸計標距之比。從測試結果可以看出：1)所有條件下的名義應力-應變環(huán)面積均不大，特別是保載時間為0s的疲勞載荷條件下，名義應力-應變滯后環(huán)接近于一條直線，這表明疲勞載荷下缺口附近的整體塑性變形數值很小，難以形成較大的遲滯環(huán)；2)在峰值載荷處引入保載時間使得遲滯環(huán)產生明顯的“平臺”區(qū)域，并且該平臺區(qū)域大小隨保載時間的增大而增大。

圖3 Case01組條件下的半壽命處名義應力-應變遲滯環(huán)結果對比

圖4給出了Case01、Case03及Case05組條件下的名義應變峰谷值數據。從圖中可看出：同保載時間下的名義應變峰谷值有所差異，但名義應變幅基本都相同。這是可能是由于不同保載時間下的整體應變響應十分接近，而每個循環(huán)內由載荷保持產生的蠕變應變比較微小，加上整個失效循環(huán)總數也不大，最終累積的蠕變應變較小，反映到整體應變上容易被系統(tǒng)誤差所掩蓋。

圖4 部分組條件下的半壽命處名義應力-應變遲滯環(huán)結果對比

2.2 疲勞、蠕變-疲勞及持久壽命結果

圖5給出了疲勞失效循環(huán)數與蠕變-疲勞失效循環(huán)數的結果。從圖中可以看出：1)在循環(huán)載荷峰值處引入保載時間，將導致試件的失效循環(huán)數顯著下降；2)隨著應力比R從-0.5～0.05的變化，缺口件在疲勞載荷和蠕變-疲勞載荷下的失效循環(huán)數均有所提高；3)在最大載荷水平較高(833MPa、910MPa)的條件下，缺口件的失效循環(huán)數與保載時間呈現負相關的關系；而在載荷水平較低(670MPa、740MPa)時，除了740MPa、R=-0.50的條件外，其余條件的失效循環(huán)數均隨保載時間的增加，呈現先降低后升高的趨勢，在保載時間120 s時失效循環(huán)降至最低點。

圖5 疲勞與蠕變-疲勞失效循環(huán)數對比

圖6給出了三類試驗的累積失效時間對比，其中疲勞、蠕變-疲勞試驗的累積失效時間定義為失效循環(huán)數乘以周期，與失效循環(huán)數發(fā)現的規(guī)律有所不同，對于累積失效時間：1)純疲勞的失效時間是三類試驗中最短的，持久斷裂失效時間基本為三類試驗中最長的；2)隨保載時間的延長，試樣的失效時間也基本隨之增加，除開Case06與Case07兩組條件外，保載30s與120s的蠕變-疲勞失效時間均比較接近；3)在其余條件相同時，R=0.05條件下的失效時間均要比R=-0.50條件下的長，這說明應力比的增大會整體延長蠕變-疲勞的失效時間，與上述失效循環(huán)數的規(guī)律一致。

圖6 疲勞、持久與蠕變-疲勞累積失效時間對比

2.3 斷口分析

圖7與圖8給出了Case02組與Case03組與不同保載時間條件下的SEM斷口整體形貌(編號(a)-(d))以及相應的細節(jié)放大圖：包括裂紋源(編號(a-1)-(d-1))和附近裂紋擴展區(qū)的局部放大圖(編號(a-2)-(d-2))。

圖7 Case02組條件下不同保載時間下的斷口SEM形貌

圖8 Case03組條件下不同保載時間下的斷口SEM形貌

通過圖7、圖8對比分析可以看出：1)在應力水平為833MPa(Case03)時所有保載時間下的斷口裂紋均為穿晶萌生，三角波的疲勞斷口為穿晶擴展，隨保載時間的延長斷口逐漸出現沿晶形貌，當保載時間變?yōu)?00s時，裂紋擴展形式變?yōu)橥耆鼐U展；2)在應力水平為740MPa(Case02)時三角波的疲勞斷口與名義應力水平為833MPa類似，裂紋萌生和擴展均為穿晶；不同的是當保載時間為30s的蠕變-疲勞斷口就已經出現明顯的穿沿晶混合擴展，保載時間為120s的蠕變-疲勞斷口完全呈現出沿晶擴展，當保載時間進一步延長至300s時，斷口裂紋萌生形式也發(fā)生轉變，失效形式表現為沿晶萌生，沿晶擴展。

3 蠕變與疲勞損傷分析

為方便、直觀地表征蠕變-疲勞中疲勞及蠕變損傷情況，采用線性損傷累積法分別對疲勞、蠕變損傷進行初步分析。線性損傷累積表達式為

Dc+Df=1

(1)

式中:Dc為累積蠕變損傷，Dc=(Ncfthold)/tR；Df為累積疲勞損傷；Df=Ncf/Nf；其中thold為單個循環(huán)保持時間；tR為持久斷裂時間；Ncf為蠕變-疲勞失效循環(huán)數；Nf為純疲勞載荷下的失效循環(huán)數。

圖9給出了蠕變-疲勞試驗中兩種累積損傷的占比，分析圖中結果可以看出：1)應力比為0.05的條件下，最大名義水平833MPa的保載時間為30s、300s以及910MPa的所有保載時間條件下的線性累積損傷和>1，而其余所有條件下的線性累積損傷和均要<1；2)應力比R為-0.50的條件下，線性累積損傷均要比0.5還小，這表明疲勞與蠕變兩種損傷存在一定的交互作用，但二者交互不是單純的正交互作用或者負交互作用，而是與具體載荷條件相關；3)從單一損傷上來看，隨保載時間的增加，所有試驗條件下的蠕變損傷基本呈現逐漸增加的趨勢，而疲勞損傷呈現下降的規(guī)律，這表明蠕變損傷在試樣失效的比重逐漸增加。

圖9 蠕變-疲勞中疲勞與蠕變損傷占比分析

4 結語

本文針對典型渦輪盤用GH4169合金的缺口試件，在650℃下開展了疲勞、蠕變-疲勞以及相對應的持久試驗，研究分析了保載時間對于試樣壽命及失效形式的影響規(guī)律，得以下結論：

1)缺口試樣的名義應力-應變滯后曲線形成的面積較小，在引入峰值保載時間后，名義滯后曲線會形成平臺區(qū)域，但對整體名義應變幅值的影響不是很大。

2)在峰值應力處引入保載時間會降低缺口件的失效循環(huán)數，但會延長其失效時間。不同保載時間對缺口件的蠕變-疲勞失效循環(huán)數基本呈現出隨保載時間的增大，失效循環(huán)數逐漸降低的規(guī)律，名義應力水平較低時也會出現先下降后上升的趨勢。

3)SEM觀測結果表明，隨著保載時間的延長，斷裂模式由穿晶擴展向沿晶擴展過渡；相同保載時間下，隨應力水平的下降，失效形式更趨向于沿晶擴展。

4)線性累積損傷法則對于GH4169缺口件的蠕變-疲勞交互損傷分析不太適用，蠕變與疲勞損傷之間存在一定的交互作用，且該交互作用強弱及正負與載荷條件相關。