枝晶间一次相对熔铸GH136合金低周疲劳性能的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.03.005 北京钢铁学院学报 第10卷第3期 Journal of Beijing University Vol,10 No.3 1988年7月 of Iron and Stcel Technology July 1988 枝晶间一次相对熔铸GH136合金 低周疲劳性能的影响 张宏学徐志超陈国良 (高温合金教研室) 摘要 本文对塔铸GH136合金的研究结果表明：存在于枝品间的大的未溶一次相粒 子能降低材料的低周疲步性能。粒子的作用机构有两个，其一是激发主裂纹的早期 萌生，北二是自身形成内战步源，通过内源的生长及与生裂纹的联结加速材料的破 坏。 这两种作用机构均与裂纹扩展速率有关。在高裂纹扩展速率下（或高应力幅 值)，粒子的有湛作用被减弱，反之，其有害作用加强。采用提高固溶温度的方法 可以有效地去除这些一次相粒子，使材料在低交变应力范围的性能得以改善。 关键词：高温合金，裂纹扩展，意劳：低周疲劳，裂纹扩展速率，一次相 The Influence of Primary Particles on the Property of Low Cycle Fatigue in K136 ECD Zhang Hanxue,Xu Zhichao,Chen Guoliang Abstract This investigation indicates that the primary dendritic particles lower significantly the property of low cycle fatigue in K136 ECD (Est-Cast-to-Shape Disc).The possible reason for this phenomenon is as following: (1 Arousing the main crack to early form; (2)Acting as internal source of fatigue cracks. 1987一08一13收稿 307

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 枝晶间一次相对熔铸 合金 低周疲劳性能的影响 张宏学 徐志超 陈国 良 ‘留温 合金教研室 摘 要 本文对 熔 铸 合金 的 研 究结果表明 存在 于 枝 晶间的 大 的未溶一 次相 粒 子 能 降低 材 料的 低 周疲 劳性 能 。 粒子 的作用 机 构有两 个 ， 其 一 是激 发主裂纹 的早期 萌生 共二 是 白身形成 内疲 劳 源 ， 通过 内源的生 长及与 主裂纹 的 联结加 速材 料的 破 坏 。 这两种 作用 机构均与裂纹扩展 速率有关 。 在 高裂纹 扩 展速率 下 或 高 应 力 幅 值 ， 粒子 的 有害作用 被减 弱 ， 反 之 ， 其有 害作用 加强 。 采 用 提 高固溶温 度的方 法 可 以有效 地去除这些 一 次 相粒子 ， 使材料 在低交 变应 力范 围 的性 能得 以改 善 。 关趣词 高温 合金 ， 裂纹 扩 展 ， 瘫劳， 低 周疲 劳 ， 裂 纹 扩展 速率 ， 一 次相 一 ” ” 义 “ ， “ ‘ ， ” “ 蓄 ” 夕 一 一 一 刀 。 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．03．005

These both effects depend on the fatigue stress and fatigue crack growth rate.Under the condition of high fatigue stress or higher crack growth rate this detrimental effect can be reduced.However,if the fatigue stress is lower, the primary dendritic larger particles decrease the fracture life significantly. Increasing solid solution temperature can decrease the number of primary particles resulting in the improvement of fatigue porperty. Key words:superalloys,crack growth,fatigue;low cycle fatiguc,crack growth rate,primary particles 引 言 枝晶间一次相是常见的铸态组织，由于这些粒子的某些物理和力学性质与基体不一致， 故对材料的力学性能往往产生不利的影响。尤其是对大尺寸整体铸件，其彩响作用就显得更 为重要。 GH136电渣熔铸盘是我国首次研制成功的大尺寸铸造盘件。大量的工作证明其具有良好 的使用性能，目前仍存在的问题是：在标准热处理状态下，枝晶间仍存在有大量的未溶一次 相。这些未溶相粒子在交变应力作用下，形成内外疲劳源，从而降低盘件的低周疲劳性能【」。 为解决这一问题，本实验选用了3种新的热处理制度，通过变化固溶温度来改善未溶一 次相的数量、大小及分布，以提高材料的低周疲劳性能，使涡轮盘件获得更长的服役寿命。 1实验方法 实验用料为熔铸GH136合金，其合金成分为：0.02%C,0.008%S,0.19%Si, 27.61%Ni,11.44%Cr,0.28%Al,2.88%Ti,1.82%Mo,0.07%V,少许Mn,Fc为余 量， 试样坯料直接由熔铸盘上切取，经不同热处理工艺处理后，机械加工成标准低周疲劳试 样。 热处理制度的工艺参数为： (1)1120°C×12h/油冷+700°C×32h/空冷， (2)1120°C×12h/油冷+720°C×32h/空冷 (3)1150°C×12h/油冷+720°C×32h/空冷， (o)1050°C×4h/油冷+700°C×32h/空冷。都采用标准试样尺寸【2]。 所有低周疲劳试验均在Mayesi电液伺服低周疲劳试验机上进行，选用梯形波及负荷控制 的加载方式。试验采用的频率为1Hz,温度为650°C。所有实验均在大气环境下进行。 2实验结果 2.1经不同热处理后熔铸GH136合金一次相及拉伸性能的变化 经不同热处理工艺处理后，合金的组织变化见图1。其中图1-a是初始铸态（未经热处 308

。 · ， ， · ， ， ， ， 日 性旨‘ 二二 枝 晶 间一 次相是常见 的铸态 组织 。 由于 这些粒子 的某些物理和力学性质与基 体不一致 ， 故 对 材料 的力学 性能 往往 产生不 利的影响 。 尤其是对 大尺寸整体铸件 ， 其影响作 用就显得更 为重 要 。 电渣熔铸盘是我国首次研制成功 的大尺寸铸造盘件 。 大量的工作 证明其具有 良好 的使 用性能 奋 目前仍存在的问题 是 在标准热处 理状态下 ， 枝 晶间仍存在有大量的未溶一 次 相 。 这 些 未溶 相粒子在 交变应 力作用下 ， 形成内外 疲 劳源 ， 从而 降低盘件的低 周疲 劳性能 【 ‘ ’ 。 为解决 这一 问题 ， 本实验选 用 了 种新的热处 理制度 ， 通过变化 固溶温度来改 善未溶一 次 相的数量 、 大小及 分 布 ， 以 提高材料的低 周疲 劳性 能 ， 使 涡轮盘 件获得更 长的服 役寿 命 。 实验方法 实验 用 料 为 熔 铸 合 金 ， 其 合 金 成 分 为 ， ， 写 ， ， 注 ， ， 纬 ， ， 写 ， 少 许 ， 为 余 量 试样坯 料直接 由熔铸盘上 切取 ， 经不 同热处 理 工艺处 理 后 ， 机械加 工成标准 低周疲 劳 试 样 。 热 处 理 制度的工艺参数为 油冷 空冷 ， 油冷 空冷 油冷 空冷多 “ 油冷 “ 空冷 。 都采用标准试样尺 寸 。 所 有 低 周疲 劳试验 均在 电液伺服 低 周疲劳试验 机上进行 ， 选用梯形波及 负荷控制 的加载 方式 。 试验 采用的频率为 ， 温度为 。 所有实验 均在大气环 竟下进 行 。 实验结果 经不同 热 处理后熔铸 合金一 次相及拉伸 性能 的变化 经不 同热处 理 工艺处 理 后 ， 合金 的组织 变化见 图 。 其 中图 一 是初始铸态 未 经热处 尽

理)枝晶间存在的一次相。文献[2]指出：这些一次相主要为Laves相、n相及TiC,Ti(CN)。 1-b是经标准热处理（即0#热处理工艺）后合金的金相组织。由图可见，枝晶间仍存在有 大量的未溶一次相粒子。固溶温度提高到1120°C后，未溶相的数量显著减少（见图1-c), 图1不同热处厘后合金的金相组织照片×100 (a)术经热处理的枝品间一次相， (b)经105)℃×1h/油海+70℃×32h/馆冷， (c)经1120℃×12h/油冷+720℃×32h/空冷， (d)经1150℃×12h/油冷+720℃×32h空冷。 Fig.1 The metallographic photocs of alloys at various heat-treatment processes 这说明固溶温度的提高有利于未溶一次相的消除。但当固溶温度高于1120°C后，消除未溶 相的效果没有进一步的改善（比较图1-c,图 1-d)。观察结果指出，在1120°C固溶后，基 体中残任的未溶相大部分是熔点较高的MC型 80 碳化物，因此，固溶温度的继续提高，对消 除一次相已不再起明显的作用。另一方面， 60- 固溶温度过高有可能引起晶界局部熔化（过 烧)，因此从实用观点，固溶温度应选择在 1120°C, 40 图2给出了经不同热处理后，合金拉伸性 能的比较。可见，固溶温度提高之后，合金强 20 度略有下降。依热处理工艺的不同，屈服强度 的下降幅度为29~59MPa。透射电镜的观察 00 2 3 结果表明，合金强度的下降是由于热处理制度 图2热处弹工艺对拉伸性能的影响 的改变导致了强化相'数量的减少。图3是 Fig.2 Effects of heat-treatment processes 经0及2#热处理后，y'相形态的比较， on tensile properties ofalloy C-GH136 309

理 枝晶间存在的一 次相 。 文献 〔 〕指出 这些一次相主要为 相 、 ， 相及叭 ， 叭 。 函 一 是经标准 热处 理 即 了 热处 理工艺 后合金 的金 相组织 。 由图可 见 ， 枝 晶 间仍存在有 大量的未溶一 次相粒子 。 固溶温度提高到 后 ， 未溶相的数量显 著减少 见 图 一 。 ， 了 代笋燕霎补 芬扮妙 瞬 一 少夕……产苦 汾 声洲 ‘ 、 ，洲样 余 、 协 丫， ’ 、 ‘ ， 、 ·娜从 、 麟 、 ﹁ ‘喊 尸， 递啄︸， 今 减 冬 价 冬奋一杯 万睡少 一 心 气 吃 众 声丫 一 ， ‘ 图 未经 热处 理 的 枝晶 间一 次相 ， 二 奋场书 ‘ 娜 不 同热处理 后 合金的 金相组织 照片 经 ℃ 油冷 ℃ 空冷 ， 经 ‘ 〕 ， 角匀冷 了 空 冷 ， 经 ℃ 、 油冷 了 空 冷 。 一 山。卜昌山昭 这 说明 固溶温度 的提高有利于未溶一 次相 的消除 。 相的效 果 没 有进一 步 的改 善 比较 图 一 。 ， 图 一 。 观 察结果指出 ， 在 “ 固溶后 ， 基 体 中残 存 的未溶相大部分是熔 点较 高的 型 碳 化物 ， 因此 ， 固溶温度 的 继 续 提 高 ， 对 消 除一 次相已不再起明显 的作用 。 另 一 方 面 ， 固溶温度过高有可能 引起晶界 局 部 熔 化 过 烧 ， 因此从 实用观 点 ， 固溶温度 应 选 择 在 “ ， 图 给 出了经不 同热处 理后 ， 合金拉伸性 但 当固溶 温度高于 。 “ 后 ， 消 除 未 溶 能 的比较 。 可见 ， 固溶温度提高之后 ， 合金强 度略 有下 降 。 依热处理工艺的不 同 ， 屈 服强 度 的下 降 幅度 为 。 透射 电镜 的 观察 结果表 明 ， 合金强度 的下 降是 由于热处 理制度 的改 变导 致 了强 化相 ‘ 数量 的 减 少 。 图 是 经 非 及 林 热处 理 后 ， ，产 相形态 的比较 。 一 … … 〔口一几 砚下 日 · 习一一 一 一 … ， ， 二 图 热处理工 艺对 拉 伸性 能的 影 响 一 一 争

2522 170000 图3'相透射也镜形貌()0号，(b)2号 Fig.3 TEM image of y-phasc 1 2.2不同热处理工艺对熔铸GH136合金低周疲劳性能的影响 不同热处理制度下的低周疲劳性能示于图 80 650C P3909 4,其结果有两个特征。 1.Hz R=-1 (1)随热处理工艺不同，合金的低周疲劳 性能也有所不同。这种性能的差别随交变应力 0C-G/f【36-I ●C-G11136-1 幅值的减少而减少。在接近疲劳极限附近，3 0C-=行11115.2 0事C-G111363 条S-N曲线基本重合。 (2)在高应力幅值下，合金的低周菠劳性 能的优劣与强度的高低有关。经1*热处理工艺 20L 102 103 10 10 105 处理的试样强度最低，其对应的低周疲劳性能 Number of cyelcs to fracture N/ 也最低。而经2热处理工艺处理的试样强度最 图1不同热处理状态下的S-N曲线比铵 Fig.4 Effects of heat-treatment proces- 高，其低周疲劳性能也最高。 ses on low cycle fatigue propertics 如果与标准热处理状态下的结果作比较， of alloy C-GH136 这两个特征就更为明显（见图4）。这一结果 说明，强度并不是决定材料低周疲劳性能的唯一因素，低应力水平下，材料的组织状态对低 周疲劳性能有显著的影响。 2.3低周疲劳试样的断口观案 对试样断口的观察结果证实，提高固溶温度后，由于板枝间第二相的大量溶解，内疲劳 源的数量及次表面夹杂诱发主裂纹萌生的现象大大减少。主裂纹均在试样表面萌生。当应力 幅值铰高时，可见到明显的挤出挤人现象（图5-）。随应力幅值减少，挤出挤入痕迹减弱 而阶段I裂纹扩展区扩大（图5-b)。 在阶段I裂纹扩展区内，第二相夹杂的去除使得整个扩展区相对平坦（图5-c,5-d)。 虽然少数第二相粒子仍可形成内疲劳源，但对主裂纹的展已没有显著的影响。 3分析讨论 由结果知，改变热处理制度后，熔铸GH136合金的组织均匀性获得改善，同时低应力范 围的低周疲劳性能有所提高，这一现象的产生与疲劳破坏的特征有关。 一般地讲，疲劳破坏由两个过程组成，即疲劳裂纹的形核与扩展。在高应力幅值下，裂 310

图 ， ’ 相透 射 包镜 形 貌 号 ， 号 夕 一 不同 热处理工 艺对熔铸 合金 低周疲劳性能 的影响 不 同热处 理制度下 的低 周疲劳性能示于 图 舞 飞 一 － 一一 ， 一 一 一 了，了 二 一 一 一‘ ‘ 「一 一 一 嗯 乌 、 、 － 中三一昆卜乙协阅的‘助七八‘ 图 不 同热处理状态下 的 一 一 曲线 比 较 一 ， 其结果 有两个特征 。 随 热处 理工艺不 同 ， 合金 的低 周疲 劳 性能也有所不 同 。 这 种性能的差 别随 交变应力 幅值 的减少 而减少 。 在接近疲 劳极限附近 ， 条 曲线基本重 合 。 在高应 力幅值下 ， 合金 的低 周疲 劳性 能 的优 劣与强 度 的高低有关 。 经 ” 热处 理工艺 处 理 的试样强度最低 ， 其对应的低周疲劳性能 也最低 。 而经 “ 热处 理工艺处 理的试样强度最 高 ， 其低 周疲 劳性能也最高 。 如果与标准热处 理状态下 的结果作 比较 ， 这 两个特征就更为 明显 见 图 。 这一 结果 说 明 ， 强度并不 是决定材料低 周疲 劳性 能的唯一 因素 ， 低应力水平下 ， 材料的组织 状态对低 周疲 劳性能有显 著的影响 。 低周疲劳试样的断口 观察 对 试样 断 口 的观察结果证 实 ， 提高 固溶温度后 ， 由于板枝 间第二相 的大量 溶解 ， 内疲 劳 源 的数量 及 次表面夹杂 诱发 主裂纹 萌生 的现象大大减少 。 主裂纹 均在试样表面萌生 。 当应 力 幅值较 高时 ， 可 见到 明 显的挤 出挤人现象 图 一 。 随应力幅值减少 ， 挤 出挤 人痕 迹 减弱 而 阶段 裂纹 扩展 区扩大 图 一 。 在阶 段 裂纹 扩展 区内 ， 第二相夹 杂 的去除 使得整 个扩展 区相对平坦 图 一 。 ， 一 。 虽 然少数 第二相粒子 仍可 形成 内疲 劳 源 ， 但对主裂纹 的扩展 已没 有 显 著的影响 。 分析讨论 由结果知 ， 改 变热处 理制度后 ， 熔铸 合金 的组织 均匀性获得 改 善 ， 同时低应力 范 围 的低 周疲 劳性能有所 提高 ， 这一现象 的产生与疲 劳破 坏 的特征有关 。 一 般地 讲 ， 疲 劳破 坏 由两个过程组成 ， 即疲劳裂纹 的形核与扩展 。 在高应力幅值下 ， 裂

图5熔铸GH136合金在650℃下的或劳断裂特征 (a)经1150℃×12h/油冷+720℃×32h/空冷，△。=539MPa (b)经1120℃×12h/袖冷+720℃×32h/空冷，△。=413MPa (c)经1120℃×12h/油冷+700℃×32h/空冷，△。=382MPa (d)经1120℃×12h/油冷+720℃×32h/空冷，△口=440MPa Fig,5 The characteristics of fatigue-failed specimens of alloy C-GH136 at 650C 纹形核寿命较短，主裂纹可以在几个循环中产生，因此，破坏过程主要以裂纹的扩展为主。 但在低应力范围，裂纹形核寿命相对较长，其对整个断裂寿命的贡献也就相对较大，所以破 坏过程就由裂纹形核及扩展两个机构共同控制。 第2相夹杂物粒子的主要危害表现在诱发微裂纹的萌生，这一现象已被火量实验所证 实【4,5】。这些微裂纹会直接或间接地促使主裂纹的形成，从而缩短主裂纹的形核过程。夹杂 物的这种作用特点，使得其危害性在低应力下表现得尤为显著，这一结论被木实验结界证 实。 在高应力幅值下，因裂纹的形核寿命较短而使得夹杂物的有害作用被减弱。尽管第2相 夹杂物对裂纹的扩展也具有一定的影响，但相 80r 对地讲，强度的作用更为明显。这是因为裂纹 t50*C I Hz 形核涉及的范围较小，局部条件的影响比较显 R=-1 著，而裂纹扩展所涉及的范围较大，整体条件 的影响相对较大。 为证实这一现象，本文对变形GH136合 40 ●GH132-1/ 金、熔铸GH136合金I)、变形GH132合金【1 oGH36-IV ●GH136-W 及变形GH36合金【]在同条件下的试验结果 ●G-138 作了进一步的分析。结果证实：在低交变应力 2 02 103 103 103 10 Number of cyeles to fracture N/ 水平，组织因素对低周疲劳性能的影响明显强 于材料强度的影响。相反，在高交变应力范围， 图6不同材料的低周疲劳性能比较 Fig.6 LCF propertics comparasion 强度的影响强于组织因素的影响（图6）。例 of various alloys 311

图 熔铸 合金在 。 ℃ 下 的疲 劳断 裂 特 征 经 ℃ 火 油 冷 ， 空冷 ， △ 经 ℃ 油冷 ℃ 空冷 ， △ 。 经 ℃ 油冷 ℃ 空 冷 ， △ 。 。 经 ℃ 卜 油 冷 亡 空 冷 ， △ 峨 性产了矛、 ‘ ‘ ， 、 、产、少 ﹄ 、 息 一 一 ℃ 纹形核寿命较短 ， 主裂纹可 以在几个 循环 中产生 ， 因此 ， 破 坏过程主要以 裂纹 的扩展为主 。 但在低应 力范 围 ， 裂 纹 形 核寿 命相对较 长 ， 其对整个断 裂寿命 的贡献 也就相 对较 大 ， 所 以破 坏过程 就由裂纹 形核及 扩展两个机 构 共同 控制 。 第 相 夹杂物粒子 的主 要危害表现在 诱发微 裂纹 的萌生 ， 这一现 象 已被 大 量 实 验 所 证 实 〔 ‘ ， 〕 。 这 些微 裂纹 会直 接 或 间接地 促使主 裂纹 的形 成 ， 从而 缩短 主裂纹 的形 核过 程 。 夹 杂 物 的这 种 作 用特点 ， 使 得其 危害性在低应 力下 表现得 尤 为 显 著 ， 这 一 结论被 本 实 验 结 果 证 实 。 在高应 力幅值下 ， 因裂纹 的形 核寿 命较短而 使得夹 杂物 的有 害 作 用被减弱 。 尽管 第 相 夹杂物对 裂纹 的扩展 也 具有一定 的影响 ， 但相 对 地讲 ， 强 度的作 用更 为 明 显 。 这 是 因为裂纹 形 核涉及 的范 围较小 ， 局部条件的影响比较 显 著 ， 而裂纹扩展所涉及 的范 围较 大 ， 整 体条件 的影响相对较大 。 为证实这一现象 ， 本文对 变形 合 金 、 熔铸 合金 ’ 、 变形 合金 〔 “ ’ 及 变形 合金 〔 在同条件下 的试验 结 果 作 了进一步 的分析 。 结果 证 实 在 低 交 变应力 水平 ， 组织 因素对低 周疲 劳性能 的影 响 明 显强 于材料强度 的影响 。 相 反 ， 在高交变应力范 围 ， 强度的影响强于组织 因素的影响 图 。 例 澳 吸 东 卜 刀 二 一 、 、 “ 、 、汝卜 、 ， 口 一 矛犷 出‘ ‘ 一 犷 了 津 一山芝卜尸祠昌掀侧的加﹄侧。‘ 冈一 图 不 同材料的低 周痰劳性能 比 较 ， 寻飞孚