分享：GH3536高温合金的高温蠕变疲劳寿命预测

0.   引言

火焰筒作为航空发动机燃烧过程的关键部件，长期暴露在极端高温的环境下，容易发生由热应变[1-3]引起的疲劳失效。在实际运行环境中，高强度且分布不均匀的循环热载荷不仅会导致表面疲劳损伤，还会导致内部蠕变损伤[4]，造成热端部件寿命的进一步缩短。研究火焰筒用材料在高温下的蠕变疲劳行为，建立疲劳寿命预测方法，对于火焰筒的寿命设计和安全服役意义重大。 

GH3536镍基高温合金（类似于美国系列Hastelloy X合金[6-8]）作为火焰筒常用的一种材料，具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性以及高的高温强度等特点[5]。赵明等[9]研究发现，在600~800 ℃蠕变疲劳交互作用下，随保载时间的延长，GH3536合金的断裂塑性呈增强趋势，而断裂寿命则相应缩短。LU等[10]研究发现，在816 ℃和927 ℃蠕变疲劳交互作用下，Hastelloy X合金在无保载时主要发生穿晶断裂，而当保载时间达到2 min时，断裂模式转变为以晶间断裂为主。LEE等[11]研究发现：Hastelloy X合金的晶粒尺寸越大，其抗蠕变疲劳损伤能力越强；随温度的升高或保载时间的延长，断裂模式由穿晶向沿晶转变，蠕变疲劳寿命缩短。LIU等[12]采用非线性蠕变-损伤模型模拟发现，在高温蠕变疲劳作用下当保载时间由1 min延长到60 min时，Hastelloy X合金的蠕变损伤率由70%升至99%，而蠕变疲劳的交互作用由25%降至1%。 

目前，关于GH3536合金的高温蠕变疲劳研究多集中在失效机理分析上，其蠕变疲劳寿命的预测方法存在局限性，大多仅适用于单一温度条件，且计算过程涉及参数多，运算复杂。作者在600~1 000 ℃下对GH3536合金进行蠕变疲劳试验，研究了该合金的高温蠕变疲劳行为，基于经典Coffin-Manson公式对其蠕变疲劳寿命进行预测，拟为火焰筒部件的寿命评估提供模型参考。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为GH3536镍基高温合金，化学成分（质量分数/%）为21.59Cr，17.74Fe，0.69W，0.35Mn，1.74Co，8.79Mo，余Ni。按照GB/T 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》，在试验材料上截取如图1所示的试样，将其标距段研磨、抛光后，采用MTS 370.10型疲劳试验机进行轴向应变控制的纯疲劳和蠕变疲劳试验。试验温度分别为600，800，900，1 000 ℃，通过电磁线圈感应加热试样，通过标距段对称点焊的2支K型热电偶测试温度，测试精度控制在±5 ℃。采用卡置在标距段的高温引伸计测试总应变，加载应变波形如图2所示，图中εmax为最大应变，εmin为最小应变，应变速率为0.4% s−1，应变比R分别为−1，0.05，应变范围Δεt为0.4%~1.2%。蠕变疲劳试验在达到最大应变时保持应变载荷2 min。当循环峰谷值稳定后，峰值载荷下降50%或者试样断裂均判定为试样失效。 

图  1  试样的形状和尺寸

Figure  1.  Shape and size of sample

图  2  纯疲劳试验和蠕变疲劳试验的加载应变波形

Figure  2.  Loading strain waveforms of pure fatigue test (a) and creep fatigue test (b)

2.   试验结果与讨论

2.1   循环应力响应行为

由图3可以看到：当温度处于600~900 ℃区间时，GH3536合金的峰值应力随循环次数的增加逐渐升高到最大值，合金表现出不同程度的循环硬化，随后峰值应力递减直至失效，曲线末端快速下降部分对应后期裂纹扩展和断裂的阶段；随着温度的升高，峰值应力达到最大值的循环次数减少，循环硬化程度减弱。在1 000 ℃下，初始循环阶段合金就出现轻微循环软化特征，随后峰值应力保持稳定直至软化失效。在相同温度下，施加的应变范围越大，合金的硬化程度越显著。不同应变比下的峰值应力在前10周次循环内出现不超过10 MPa的差异，并随着循环次数的增加差值逐渐趋于0。 

图  3  GH3536合金在不同温度下的蠕变疲劳峰值应力响应曲线

Figure  3.  Creep-fatigue peak stress response curves of GH3536 alloy under various temperatures

2.2   保载应力松弛行为

由图4可知，在800~1 000 ℃下蠕变疲劳的半寿命保载阶段，GH3536合金表现出显著的应力松弛现象，即初始弹性应变逐渐转变为非弹性应变[13]。在应力松弛初期（约前20 s内），应力表现出快速下降的特征，随后下降趋势显著减缓，直至趋于稳定。在相同温度、不同应变范围下，GH3536合金在保载阶段的应力松弛行为一致，说明应力松弛速率受应变范围的影响有限。采用Feltham方程[14]对GH3536合金在800~1 000 ℃下的应力松弛曲线进行拟合，表达式为 

式中：σ为应力；σ0为保载阶段的初始应力；t为保载时间；B″，b为材料参数。 

图  4  应变比为−1时GH3536合金在蠕变疲劳半寿命保载阶段的应力松弛曲线

Figure  4.  Stress relaxation curves of GH3536 alloy at creep-fatigue half life load holding stage under strain ratio of −1

3.   蠕变疲劳寿命预测

疲劳寿命通常基于应力、应变和应变能等相关参数进行评估，对于全应变控制的低循环疲劳试验，可采用经典Coffin-Manson公式进行寿命预测[15]，该公式如下： 

式中：εa为应变幅；εae为弹性应变幅；εapl为塑性应变幅；Nf为疲劳寿命；E为弹性模量；σ′f，ε′f，m，c均为与疲劳相关的材料常数。 

基于经典Coffin-Manson公式，XU等[16]提出一种参数温度化（温度效应由与温度相关的参数和来表征）的经验模型，用来描述温度对疲劳寿命的影响。该模型表达式如下： 

式中：Δε为应变范围；A（T），n（T）为与温度T相关的参数。 

通过引入表示保载效应的h（t），将式（3）进一步拓展为 

式中：th为保载时间，min；α(T)和β(T)分别为与温度相关的参数，由不同载荷条件下GH3536合金的纯疲劳寿命数据拟合得到。 

由图5可以看出，试验测得GH3536合金的纯疲劳和蠕变疲劳寿命均随应变范围的增大或温度的升高而下降，应变比对纯疲劳和蠕变疲劳寿命的影响较小。在蠕变疲劳过程中，由于应力松弛效应导致平均应力减小，使得平均应力对疲劳的影响减弱，因此在蠕变疲劳寿命预测过程中可以不考虑平均应力（应变比）的影响。在600 ℃下最大应变下的保载过程对疲劳寿命基本没有影响，温度不高于600 ℃时保载效应为0，因此在温度不高于600 ℃时，蠕变疲劳寿命预测不考虑保载作用；在800，900，1 000 ℃下，与纯疲劳寿命相比，蠕变疲劳寿命分别下降了41%，35%，56%。当温度不低于800 ℃时，采用式（4）预测蠕变疲劳寿命；当温度在600~800 ℃时，采用600 ℃时纯疲劳寿命结果与由式（4）预测的800 ℃蠕变疲劳寿命结果进行线性插值。根据以上方法预测的蠕变疲劳寿命与试验寿命的对比如图6所示。由图6可以看出：预测蠕变疲劳寿命大部分处于2倍分散带内，少数处于2~3倍分散带内，验证了预测方法的准确性。该预测方法的参数数量少，计算简单，且预测结果保守，对GH3536合金蠕变疲劳寿命的预测能力较强。 

图  5  GH3536合金在不同温度下的纯疲劳寿命和蠕变疲劳寿命与应变范围的关系

Figure  5.  Relation between pure fatigue life and creep fatigue life and strain range of GH3536 alloy at various temperatures

图  6  预测和试验得到GH3536合金在不同温度下的蠕变疲劳寿命对比

Figure  6.  Comparison between predicted and test creep-fatigue lives of GH3536 alloy at various temperatures

4.   结论

（1）GH3536合金在600~900 ℃表现出不同程度的循环硬化现象，随着温度的升高，峰值应力达到最大值的循环次数减少，循环硬化程度减弱；在相同温度下，应变范围越大，合金的硬化程度越显著。在1 000 ℃下合金在初始循环阶段出现软化现象，随后峰值应力保持稳定直至失效。 

（2）在800~1 000 ℃下蠕变疲劳的半寿命保载阶段，GH3536合金表现出显著的应力松弛现象，在应力松弛初期，应力快速下降，随后下降趋势显著减缓，直至趋于稳定；不同应变范围下的应力松弛行为相同。随应变范围的增大或温度的升高，合金的蠕变疲劳寿命降低；在600 ℃下最大应变保载过程对疲劳寿命基本没有影响，当温度为800~1 000 ℃时，最大应变保载会显著降低蠕变疲劳寿命，降低幅度约50%。 

（3）采用综合考虑温度和保载效应影响的Coffin-Manson模型预测的不同温度下GH3536合金的蠕变疲劳寿命大部分位于2倍分散带内，少部分位于２~3倍分散带内，表明该模型预测结果较为准确，该方法具有参数数量少、计算简单的优点。

文章来源——材料与测试网