高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)

1、No3. 2008工程與試驗(yàn)September 2008咼溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)關(guān)遜，劉慶，郭建亭（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽(yáng)110016）摘 要：本文利用裝配有EDC數(shù)字控制器的高溫電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)開(kāi)展了一種鎳基高溫合金的循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明與恒載荷靜態(tài)蠕變相比，兩種方式（矩形波和鋸齒波）載荷循環(huán)降低了合金蠕變壽命，但對(duì)蠕變塑性并沒(méi)有影響。關(guān)鍵詞：高溫合金；循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)；循環(huán)載荷= _中圖分類號(hào)：TG132. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A澤hi 1 1 | 9住 創(chuàng).' ： I' |"Cyclic Creep Experimentation of SuperalloyGuan

2、 Xun , Liu Qing , Guo Jianting（in stit ute of M etal Research , Chin eseAcadem y of Scie nces , Li a oni n g She nyang 110016）Abstract : The cyclic creep test s of a Nickel 2base superalloy has bee n con ducted on a High Temper2 ature Electrical Creep Machine equipped wit h an External Digital Contr

3、oler (EDC). Compared wit h the constant load creep , the cyclic load in t he square and sawtoot h waveforms reduces the creep life , but has no effect on the creep ductility of the testing alloy.Keywords: superalloy ; cyclic creep test; cyclic load? 24 ?曲 J9'94-2&Ii!9' China AuaduiJiic J

4、uuniij Q-eelriMiic PLhlihinii, HhO-usl- All riMhb；hHp：.-7xa. ww.tnki.tieilNo3. 2008工程與試驗(yàn)September 2008? # ?曲 J9'94-2&Ii!9' China AuaduiJiic Juuniij Q-eelriMiic PLhlihinii, HhO-usl- All riMhb；hHp：.-7xa. ww.tnki.tieilNo3. 2008工程與試驗(yàn)September 20081引言高溫合金部件在高溫服役期間 ，往往遭受靜態(tài) 應(yīng)力和循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用，實(shí)際變形過(guò)程既

5、不同 于靜態(tài)載荷作用下的純?nèi)渥冏冃?，也不同于完全循 環(huán)載荷作用下的純疲勞變形，而是蠕變與疲勞交互 作用的復(fù)雜變形過(guò)程12。對(duì)這種循環(huán)應(yīng)力作用下 復(fù)雜變形行為的研究方法有兩種。第一種方法是完 全模擬部件實(shí)際工作條件下的受力情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直接應(yīng)用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。第二種方法是進(jìn) 行特定循環(huán)載荷作用下的蠕變實(shí)驗(yàn)（稱之為循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)），并與恒載荷作用下的蠕變行為（稱之為靜態(tài)蠕變）進(jìn)行比較，以了解循環(huán)載荷對(duì)蠕變變形影響 的基本規(guī)律。高溫循環(huán)蠕變性能是高溫合金設(shè)計(jì)與 安全應(yīng)用的重要指標(biāo)之一。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所蠕變實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)裝備有德國(guó) Doli 公司 EDC （External Digital Co

6、nt roler）數(shù)字控制器的高溫電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)載荷控制、位移控制和變形控制。利用此試驗(yàn)機(jī)，本文開(kāi)展 了一種鎳基高溫合金的循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而評(píng)價(jià)循環(huán)載荷對(duì)合金蠕變行為的影響。2實(shí)驗(yàn)方法211 實(shí)驗(yàn)合金實(shí)驗(yàn)合金DZ417 G是一種具有中國(guó)特色的先進(jìn) 定向凝固高溫合金，用作某先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪 葉片材料。有關(guān)該合金的成分、制備工藝、性能特點(diǎn) 等見(jiàn)文獻(xiàn)3。實(shí)驗(yàn)用母合金經(jīng)真空感應(yīng)爐熔煉后，在定向凝固真空爐內(nèi)以快速凝固法（溫度梯度是850 C/cm，凝固速度是7 mm/ min）制備直徑16 mm，長(zhǎng) 130 mm的定向凝固園棒試樣。隨后對(duì)園棒試樣進(jìn) 行兩級(jí)熱處理，即1 220 C/4h ,

7、 AC.的固溶處理和 980 °C/16h , AC.的時(shí)效處理。熱處理試樣機(jī)加工 成標(biāo)距100 mm的標(biāo)準(zhǔn)螺紋蠕變?cè)嚇?。? 25 ?曲 J9'94-2&Ii!9' China AuaduiJiic Juuniij Q-eelriMiic PLhlihinii, HhO-usl- All riMhb；hHp：.-7xa. ww.tnki.tieilNo3. 2008工程與試驗(yàn)September 2008? # ?曲 J9'94-2&Ii!9' China AuaduiJiic Juuniij Q-eelriMiic PLhlihini

8、i, HhO-usl- All riMhb；hHp：.-7xa. ww.tnki.tieilNo3. 2008工程與試驗(yàn)September 2008收稿日期2008 - 06 - 26作者簡(jiǎn)介關(guān)遜（1969 -）,女，助理工程師，從事蠕變實(shí)驗(yàn)工作。劉慶（1961 -），男,工程師，從事蠕變實(shí)驗(yàn)工作。郭建亭（1938 -） 男,研究員。博士生導(dǎo)師，從事高溫合金與金屬間化合物的研究。? # ?曲 J9'94-2&Ii!9' China AuaduiJiic Juuniij Q-eelriMiic PLhlihinii, HhO-usl- All riMhb；hHp：.-7x

9、a. ww.tnki.tieilNo3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)21 2實(shí)驗(yàn)過(guò)程恒載荷和循環(huán)載荷蠕變實(shí)驗(yàn)是在裝備有EDC數(shù)字控制器的高溫電子蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行的,所有蠕變實(shí)驗(yàn)溫度是 870 C。蠕變實(shí)驗(yàn)期間，爐內(nèi)溫度 由安裝在試樣標(biāo)距段的上、中、下三根Pt/ Pt2l6 %Rh熱電偶測(cè)量,爐溫控制由 EDC指令通過(guò) A I智 能溫度調(diào)節(jié)儀表自動(dòng)完成，具有0. 2級(jí)精度。蠕變應(yīng)變由連接在試樣上、下肩部的高精度變形引伸計(jì) 測(cè)量,測(cè)量結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示，測(cè)量精度達(dá)2X10- 3。循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)所施加載荷變化是由EDC蠕變實(shí)驗(yàn)程序自動(dòng)控制的,EDC60菜單系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖 1。每一次卸載

10、時(shí)，載荷一次性去除。每一次加載 時(shí),載荷分幾次緩慢加上，以減少加載對(duì)試樣造成的 沖擊影響，加載完成時(shí)間在 60120 s內(nèi)。選擇的循環(huán)，載荷變化示意圖見(jiàn)圖2。圖中（high是循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)力值。為便于與420 MPa恒載荷靜態(tài)蠕變行為進(jìn)行比較，所有循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)的最大施 加應(yīng)力都是420 MPa。（low是循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)的最小 施加應(yīng)力值（low = 42 Mpa ,這個(gè)最低應(yīng)力不僅能保 持夾具和加載系統(tǒng)處于拉伸狀態(tài)，還可以保證每次載荷循環(huán)時(shí)的卸載期間不發(fā)生實(shí)驗(yàn)?zāi)軝z測(cè)到的蠕變 變形。thigh是每次載荷循環(huán)期間，在最大載荷時(shí)的持 續(xù)時(shí)間，稱其為有載時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中采用了 5個(gè)有載時(shí) 間，分別是

11、30 ,60 ,120 ,180 ,360 min。tlow 是每次載 荷循環(huán)期間，在最小載荷時(shí)的持續(xù)時(shí)間，稱其為無(wú)載 時(shí)間。在矩形波載荷循環(huán)實(shí)驗(yàn)中，采用了有載時(shí)間等于無(wú)載時(shí)間的實(shí)驗(yàn)方案。在鋸齒波載荷循環(huán)實(shí)驗(yàn) 中，由于無(wú)載時(shí)間不足一分鐘，可以認(rèn)為無(wú)載時(shí)間是零。26J9,94-2Qi09'EletriMix Plhlishing E<juse. All rciurveiL. hliprv. No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)#J9,94-2Qi09'EletriMix Plhlishing E<juse. All rciurveiL. hliprv. N

12、o3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)載荷變化形式分別是矩形波載荷循環(huán)和鋸齒波載荷打開(kāi)IM：開(kāi)關(guān)亠H 開(kāi)始菜單“ 垃炭菜單 措誤ON ESC；試驗(yàn)ESC主菜單ESC軽菜取調(diào)i隹萊單臉證菜單協(xié)復(fù)菜單押戶設(shè)置編輯編輯編輯編輯編輯圖1試驗(yàn)機(jī)配備的數(shù)字控制器時(shí)間EDC60菜單系統(tǒng)示意圖#J9,94-2Qi09'EletriMix Plhlishing E<juse. All rciurveiL. hliprv. No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)#J9,94-2Qi09'EletriMix Plhlishing E<juse. All rciurvei

13、L. hliprv. No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)圖2循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)載荷變化示意圖#J9,94-2Qi09'EletriMix Plhlishing E<juse. All rciurveiL. hliprv. 工程與試驗(yàn)September 20083實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論圖3是DZ417G合金在870 C/420M Pa恒載荷 作用下的靜態(tài)蠕變曲線。圖3(a)表明了蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，圖3(b)表明了應(yīng)變速率隨時(shí)間變化 情況。由圖可見(jiàn)，合金的靜態(tài)蠕變曲線由減速蠕變加速蠕變階段組成。最小蠕變速率對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值大 約是1.2%。減速蠕變及近穩(wěn)態(tài)蠕變階段的應(yīng)變是 2.5%;

14、加速蠕變階段應(yīng)變值 18%,占總應(yīng)變的90 % 左右。因此QZ417G合金較高的蠕變塑性主要來(lái) 自于加速蠕變階段 。透射電子顯微鏡(TEM)觀察 表明，DZ17G合金在870 C/420MPa時(shí)的蠕變變形 機(jī)制是位錯(cuò)對(duì)共格有序(沉淀相粒子的切割過(guò)? 27 ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug R-o-use. All rishis rcierveil.工程與試驗(yàn)September 2008? # ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug

15、 R-o-use. All rishis rcierveil.工程與試驗(yàn)September 2008TiniP (min) “蠕變應(yīng)變(urrei si rain %b)蠕變速率? # ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug R-o-use. All rishis rcierveil.工程與試驗(yàn)September 2008圖3 DZ417G合金恒載荷蠕變曲線? # ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug R-o-use. All ris

16、his rcierveil.工程與試驗(yàn)September 2008? # ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug R-o-use. All rishis rcierveil.工程與試驗(yàn)September 2008圖4(a)是DZ417 G合金在矩形波循環(huán)載荷(有載時(shí)間是60min)作用下的蠕變應(yīng)變與時(shí)間的變化 關(guān)系。為了與靜態(tài)蠕變曲線進(jìn)行比較，采用蠕變包跡線來(lái)代表循環(huán)蠕變曲線。蠕變包跡線是由每次加 載期間應(yīng)變值最高點(diǎn)相連接而形成的光滑曲線。因?yàn)樵诘洼d荷(42M Pa)期間變形極其緩慢，可以認(rèn)為在“無(wú)載”期間沒(méi)有蠕變

17、發(fā)生，故蠕變時(shí)間只包含有 載時(shí)間，蠕變壽命定義為有載持續(xù)時(shí)間。合金在5種有載時(shí)間矩形波載荷循環(huán)的循環(huán)蠕變曲線及恒載 荷靜態(tài)蠕變曲線見(jiàn)圖 4(b),其中C1對(duì)應(yīng)矩形波載 荷循環(huán)有載時(shí)間為30 min ; C2對(duì)應(yīng)有載時(shí)間為 60min ;C3對(duì)應(yīng)有載時(shí)間為120 min ;C4對(duì)應(yīng)有載時(shí)間 為180 min ;C5對(duì)應(yīng)有載時(shí)間為 360 min ;C6為恒載 荷蠕變曲線。由圖可見(jiàn)，載荷循環(huán)降低了 DZ17G合 金的蠕變壽命，并且隨著有載時(shí)間的縮短，蠕變壽命降低的更為明顯。圖5(a)是合金在鋸齒波載荷循環(huán)作用下(有載時(shí)間是60 min)的典型蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系，與矩形波載荷循環(huán)相同，也采取蠕變包

18、跡線來(lái)代表循 環(huán)蠕變曲線。合金在5種有載時(shí)間鋸齒波載荷循環(huán)下的循環(huán)蠕變曲線見(jiàn)圖5(b)。其中C7對(duì)應(yīng)鋸齒波載荷循環(huán)有載時(shí)間為30 min ; C8對(duì)應(yīng)有載時(shí)間為60 min ;C9對(duì)應(yīng)有載時(shí)間為 120 min ;C10對(duì)應(yīng)有載 時(shí)間為180 min ; C11對(duì)應(yīng)有載時(shí)間為 360 min ;C6 同樣為恒載荷蠕變曲線。由圖可見(jiàn)，盡管在低載荷 幾乎沒(méi)有保持時(shí)間，鋸齒波載荷循環(huán)同樣降低了合 金的蠕變壽命，并且隨著有載時(shí)間的縮短，蠕變壽命 降低的更為明顯。圖3表明，DZ417 G合金的高溫蠕變塑性主要來(lái)自非常長(zhǎng)的加速蠕變階段，這是因?yàn)槎ㄏ蚰滔伺c施加應(yīng)力軸垂直的橫向晶界，使其不再是蠕變裂紋的

19、萌生場(chǎng)所和擴(kuò)展通道。從圖4和圖5可見(jiàn)，無(wú)論是矩形波載荷循環(huán)還是鋸齒波載荷循環(huán)，循環(huán)蠕變曲線(包跡線)與靜態(tài)蠕變曲線形狀相似，也表現(xiàn)出加速蠕變階段是主要蠕變階段的特征 。這說(shuō) 明載荷循環(huán)對(duì)蠕變塑性的影響是很小的 。表1表明 所有循環(huán)蠕變和靜態(tài)蠕變斷裂應(yīng)變值都在 20% 25 %之間，與循環(huán)方式和頻率無(wú)關(guān)。因此，認(rèn)為兩種 形式的載荷循環(huán)沒(méi)有對(duì)合金的蠕變斷裂過(guò)程和蠕變 塑性產(chǎn)生影響。? 28 ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug R-o-use. All rishis rcierveil.工程與試驗(yàn)September

20、2008? # ?1994-200 Cfiinzj Acadirzniu Jutirriij曰氐ItlhiH Publiyiiiiug R-o-use. All rishis rcierveil.No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)29K1 J994-2&09 China Az血:亦匸 Jourriii Eltclrunic Pu-hlishiiug House. All聞皿,tisu:%c<L. hlipr.v. ww.tnki.tiet.No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)4軸；!； 材帕 UW10n 200=)'4在矩形波載荷循環(huán)作用下.R7

21、0T420 MPjEnvrlofie curve00 2004t)n 忖川 snoTimr(tiiiit)<=)5在鋸齒波載荷循環(huán)作用下S70K：0 lfMX) 2fMX)4/WOTiiiir Lit 41U-L1M4E (itkijL)-咨)匸=匚-主-二P>E-宀DZ 417 G合金的典型循環(huán)蠕變曲線2520105001000 2WX) XMX) 4000Tiiiir nt cn-hMid (min)(h)DZ417G合金的典型循環(huán)蠕變曲線30K1 J994-2&09 China Az血:亦匸 Jourriii Eltclrunic Pu-hlishiiug House

22、. All聞皿,tisu:%c<L. hlipr.v. ww.tnki.tiet.No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)#K1 J994-2&09 China Az血:亦匸 Jourriii Eltclrunic Pu-hlishiiug House. All聞皿,tisu:%c<L. hlipr.v. ww.tnki.tiet.No3. 2008關(guān)遜，等：高溫合金循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)表1DZ417 G合金恒載荷與循環(huán)載荷蠕變應(yīng)變編號(hào)載荷形式有載時(shí)間蠕變應(yīng)變C130min23. 50C260min22. 43C3形波循環(huán)載荷120min24. 12C4180min22.

23、93C5360min24. 77C6恒載荷20. 42C730min20. 61C860min21. 52C9鋸齒波循環(huán)載荷120min21. 39C10180min24. 55C11360min21. 28#K1 J994-2&09 China Az血:亦匸 Jourriii Eltclrunic Pu-hlishiiug House. All聞皿,tisu:%c<L. hlipr.v. ww.tnki.tiet.工程與試驗(yàn)September 2008然而，載荷循環(huán)卻顯著降低了合金的蠕變壽命 , 且隨循環(huán)次數(shù)的增加，蠕變壽命的降低更加明顯 ，而 矩形波載荷循環(huán)的影響要大于鋸齒波

24、載荷循環(huán)。由于載荷循環(huán)并沒(méi)對(duì)蠕變斷裂行為產(chǎn)生影響，載荷循環(huán)降低合金蠕變壽命的原因一定是提高了循環(huán)蠕變 變形速率，即產(chǎn)生了循環(huán)蠕變加速現(xiàn)象。在粒子強(qiáng) 化合金高溫蠕變期間，組織中往往產(chǎn)生了較大的內(nèi) 應(yīng)力阻礙蠕變變形。在高載荷向低載荷的卸載過(guò)程 中，這種內(nèi)應(yīng)力的大部份快速松弛掉了。此時(shí)的組織相對(duì)于卸載前是軟化的。在重新加載時(shí)，這種軟 化的組織導(dǎo)致了較正常應(yīng)變速率高得多的變形速 率，使減速蠕變階段的最小蠕變速率要高于同一應(yīng) 變對(duì)應(yīng)的靜態(tài)蠕變變形速率，隨后的加速蠕變階段 的蠕變速率更要高于所對(duì)應(yīng)的靜態(tài)蠕變變形速率。因此，在每一次卸載期間蠕變阻力的松弛，導(dǎo)致隨后加載期間的蠕變以更快的速率進(jìn)行，即發(fā)生循環(huán)軟

25、化。每一次載荷循環(huán)都加快了蠕變變形速率，則載荷循環(huán)次數(shù)越多，蠕變壽命越短。4結(jié)論利用裝配有EDC數(shù)字控制器的高溫電子蠕變 試驗(yàn)機(jī)成功開(kāi)展了一種鎳基高溫合金的循環(huán)蠕變實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明與恒載荷靜態(tài)蠕變相比，兩種方式(矩 形波和鋸齒波)載荷循環(huán)降低了合金蠕變壽命，但對(duì) 蠕變塑性并沒(méi)有影響。矩形波載荷循環(huán)降低蠕變壽 命效果比鋸齒波載荷循環(huán)更為明顯。分析認(rèn)為載荷 循環(huán)產(chǎn)生的循環(huán)軟化的積累是合金蠕變壽命降低的 主要原因。參考文獻(xiàn)1 Sims C T， Stoloff N S， Hagel W C. Superalloys II 廖F島 I* 'if 逬:E !:.叫 r* 'L-M . Ne

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