高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展速率

D0I:10.13374/j.iss1001053x.1997.04.027 第19卷第4期 北京科。技大学学报 Vol.19 No.4 1997年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1997 高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展速率* 徐志超周建波 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要用直流电位法研究了高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展速率，结果表明：高温合金涡轮盘材 料的裂纹扩展速率快慢，不完全取决于材料强度，更主要地取决于持久塑性，在考察高温合金涡 轮盘材料的裂纹扩展时，不能仅以速率值dadN的绝对值来衡量，还应看裂纹扩展速率曲线的斜 率是否锐减或曲线出现明显的拐点，以及曲线所对应的应力强度因子△的范围， 关键词高温合金，涡轮盘，裂纹扩展速率 中图分类号TG142.73 裂纹扩展速率不仅是高温合金涡轮盘的重要使用性能，同时也是涡轮盘损伤容量设计和 寿命预测的重要指标之一.国内外学者1~)都从不同角度对高温合金材料的裂纹扩展速率进 行过研究，并得出一些有益的结果，但这些研究基本都是对单一合金某一条件下的研究，还缺 乏整体、完整的概念，特别是综合性的比较.为了得出一些规律性的结果，本文对国产高温合 金涡轮盘材料的裂纹扩展速率进行了比较，这里既有高强度高合金化的Ni基合金如FGH95( 粉末冶金生产)和Waspaloy合金、高合金化和高强度的Ni一Fe基合金如GH76l,还有低合金 化和强度较低的Fe基合金如GH871和GH32合金、用y'+y·相强化的高强度GHl69和直 接时效的GH169合金，可以说汇集了我国当前使用和研制的大部分高温合金涡轮盘材料.其 目的是想从客观上反映我国现有和即将应用的F,基高温合金涡轮盘的裂纹扩展速率所 处的大致水平及影响因素，而且从涡轮盘设计和使用角度看，掌握祸轮盘在接近使用条件下 的裂纹扩展速率的总体概念和数量级，对于正确使用涡轮盘无疑具有重要的工程意义， 1 研究方法 为了便于比较，各种高温合金涡轮盘材料裂纹扩展速率的测定工作是在相同的试验设 备、相同的试验方法（直流电位法）、相同的紧凑拉伸试样(25mm×25mm×10mm),以及相 同的试验条件(650℃，最大应力条件下保载90s)进行的. 2结果和讨论 2.1不同高温合金涡轮盘材料强度和持久塑性的回顾 不同高温合金涡轮盘材料在650℃的抗拉强度和持久塑性的比较见图1.从图1可见，同 是涡轮盘材料但强度的差别很大，FGH95合金的抗拉强度可以是GH132合金的2倍.如果将 1997-01-28收稿第一作者男58岁副教授 ◆国家“八五”、“九五”攻关项目

第 19 卷 第 4期 1 9 9 7年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v er s i t y o f Sc i e n e e a n d T e c h n o l o g y B e ji i n g V o l 。 19 N o . 4 A u g . 19 9 7 高温合金 涡 轮盘 材料 的裂纹扩展 速率 * 徐志超 周 建波 北京科技大学材 料科学 与工 程 学院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘要 用 直流 电位 法研究 了高温合 金涡 轮盘材料 的裂 纹扩展速率 . 结果表明 : 高温合金 涡轮盘材 料的裂纹 扩展速率快 慢 , 不完全取 决于 材料 强度 , 更主 要地取 决于 持 久塑性 . 在考 察高温合金 涡 轮盘材料 的裂纹扩展 时 , 不能仅 以 速率值 da d/ N 的绝对值来衡量 , 还 应看 裂纹扩展速 率 曲线 的斜 率是 否锐减或曲线出现明显的拐点 , 以 及曲线所对应 的应力 强度 因子△天 的范围 . 关键 词 高温合金 , 涡轮 盘 , 裂纹扩展速率 中图分类号 T G 1 4 2 . 7 3 裂 纹扩展 速 率不 仅是 高温 合金 涡 轮盘 的重要 使 用性能 , 同时也 是 涡轮盘 损伤容 量设计 和 寿命预测 的重 要 指标 之一 国 内外学 者 〔’ 一 ’ ]都从 不 同角度 对高 温 合金材 料 的裂纹 扩展 速率 进 行 过研究 , 并 得 出一些 有 益 的结果 . 但 这些研 究基 本 都是 对单 一合 金某 一条 件下 的研 究 , 还缺 乏 整体 、 完 整 的 概念 , 特 别是 综 合性 的 比 较 . 为 了得 出一 些规律性 的结果 , 本文 对国产 高 温合 金 涡轮 盘材 料 的裂纹 扩展 速率 进行 了 比较 , 这里 既有 高强 度高 合金 化 的 预 基 合金 如 GF 9H 5( 粉 末冶 金生 产 )和 w as aP loy 合金 、 高合金化 和 高强度 的 两 一 eF 基合 金如 G H 76 1 , 还有低 合金 化 和强 度较 低 的 eF 基 合金 如 G H8 71 和 G H 1 32 合金 、 用 y `勺 “ 相强 化 的高强 度 G H 1 69 和 直 接 时效 的 G H 169 合金 , 可 以 说汇集 了 我 国 当前使 用 和研制 的 大部 分高 温合 金 涡轮 盘材 料 . 其 目 的是想 从 客 观上 反 映我 国现有 和 即将 应 用 的 eF 、 预 基 高 温合 金 涡轮 盘 的 裂纹 扩 展速 率 所 处 的大致 水 平 及影 响 因素 , 而 且从涡 轮盘 设 计和 使 用角 度 看 , 掌握 涡 轮盘 在 接近 使用条 件 下 的裂 纹扩展 速 率 的总体 概念 和数 量级 , 对 于正确 使 用涡轮 盘无 疑具 有重 要 的工程 意义 . 1 研究方法 为 了便于 比较 , 各种 高温 合 金 涡 轮盘 材料 裂 纹 扩展 速 率 的测 定 工 作是 在 相 同 的试 验 设 备 、 相 同的试 验方 法 ( 直流 电位 法) 、 相 同的 紧凑拉 伸试样 ( 25 m m x 25 ~ x lo m m ), 以 及 相 同的试验 条件 ( 65 0 ℃ , 最大 应力 条件 下保载 90 5) 进行 的 . 2 结 果 和讨 论 2 . 1 不 同高温 合金涡轮盘 材料强度和 持 久塑性 的回顾 不 同高 温合金 涡轮盘 材料 在 6 50 ℃ 的抗 拉强 度和 持久 塑性 的 比较见 图 1 . 从 图 l 可见 , 同 是 涡 轮盘材 料但 强度 的差 别很 大 , GF 9H 5 合 金 的抗 拉 强度 可 以是 G H 1 32 合金 的 2 倍 . 如 果将 19 9 7 一 01 一 2 8 收稿 第一 作者 男 58 岁 副教授 * 国家 “ 八五 ” 、 “ 九五 ” 攻 关项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1997. 04. 027

Vol.19 No.4 徐志超等：高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展速率 ·343· 抗拉强度在1GPa作一个分界线的话，那么HSGH169(HS718),DAGH169(DA718),GH761, Waspaloy,FGH95合金均属高强度合金，而GH871,GHl32合金则属于低强度合金.各合金的 持久塑性不与合金的强度成比例，其中以Waspaloy合金的持久塑性最高，HSGH169, DAGH169,GH132合金的持久塑性可以达到10%以上，只有GH871合金的持久塑性最低， 仅为3%左右.同是FGH95合金粉末盘，固溶处理后冷速的不同，可以使强度和持久塑性相 差很大，固溶后盐淬（用y表示）的FGH95合金强度可达l.510GPa,而持久塑性却只有 4.08%;如果固溶后缓冷（用h表示）则合金的抗拉强度只有1.460GPa,但持久塑性却可达 10.08%.可见通过不同的途径，对高温合金涡轮盘材料的强度和持久塑性指标是可以调整 的. 2.00 80 1.75 ■强度口塑性 1.50 1.00 8 0606060302010 0.25 fe ha 0 wapoloy DA718 GH132 HS718 FGH95h FGH95y GH871 高温合金 图1高温合金涡轮盘在650℃抗拉强度和持久塑性示意图 2.2不同高温合金涡轮盘材料裂纹扩展速率的比较 高温合金祸轮盘基本上是在疲劳蠕变交互作用条件下运行的，因而在这种条件下的裂纹 扩展速率是人们最为关心的.不同高温合金涡轮盘材料在650℃疲劳蠕变交互作用下（即保 载90s)的裂纹扩展速率的比较见图2.从图2不难看到，裂纹扩展速率最慢的当属Waspaloy 和固溶后缓冷处理的FGH95h)合金，居中的是GHI32,HSGH169(HS718),DAGH169 (DA718),裂纹扩展速率较快的合金为GH87I,GH761和固溶后盐淬处理的FGH95(y)合金. 比较这些裂纹扩展速率的曲线，可以发现这样的特点：凡是裂纹扩展速率缓慢的合金不是曲 线的斜率在发生锐减就是曲线出现明显的拐点，且曲线所对应的应力强度因子△K的范围是 较宽的，而裂纹扩展速率较快的合金其曲线总是很陡的，曲线的斜率变化较小，曲线所对应 的△K的范围也较窄， 10 9 HS718 10 ■DA718 GH871 GH761 102 +GH132 ·FGH95(h) 口Waspaloy 10° ·FGH95(y) 10 10 △K(MPa·m3 100 图2几种涡轮盘材料在650℃保载90s周期持久条件下的裂纹扩展速率

v ol . 19 oN . 4 徐志 超等 : 高温合金涡 轮盘材 料的裂纹扩展速率 . 3 4 3 . 抗拉 强度 在 l 印 a 作 一个分 界 线 [ ’ l的话 , 那 么 H s洲16 9 (邢 7 15 ) , 以G H 16 9 (以7 18 ) , G H 7 6 1 , w as aP l oy , GF 9H 5 合金 均 属高强 度合 金 , 而 G H 8 71 , G H I 犯 合金 则属 于低 强 度合金 . 各 合金 的 持 久 塑 性 不 与 合 金 的 强 度 成 比 例 , 其 中 以 w as p al oy 合 金 的 持 久 塑 性 最 高 , SH G H 169 , D A G H 169 , G H I 犯 合 金 的持 久 塑性 可 以 达到 10 % 以 上 , 只 有 G H 87 1 合 金 的持 久 塑性 最低 , 仅为 3 % 左 右 . 同是 F G H 9 5 合 金 粉末 盘 , 固溶 处理 后冷 速 的不 同 , 可 以 使强度 和持 久 塑性相 差 很 大 , 固 溶 后 盐 淬 ( 用 y 表 示 ) 的 F G H 9 5 合 金 强 度 可 达 1 . 5 10 GP a , 而 持 久 塑 性 却 只 有 .4 08 % ; 如 果 固 溶 后 缓冷 ( 用 h 表示 ) 则 合金 的抗 拉 强 度 只 有 l . 4 60 GP a , 但 持 久 塑 性 却 可达 10 .0 8 % . 可 见 通 过 不 同 的途 径 , 对高 温 合金 涡 轮 盘 材料 的强 度 和 持 久 塑 性指 标 是 可 以 调整 的 . 塑铡拭卑岁/ 60807504321 - - - - - 一 - - - - - 一 . 强 度 口 塑 性一 - 一 一 一 - 介 一 w ap o l o y tD A 7 1 8 G裸H 1 32 SH 7 1 8什F G H9 5 h F G H 9 5 y宜 G l l8 7 1 高温合金 八气ù口Un ùI n ù屯JO 戈八曰J nU7 . ` J ú, 0 ō咬JZ 乙,1 nCUO d目赵烈坦撼o/ 图 1 高温合金涡轮盘在6 50 ℃抗拉强度和持久塑性示意图 .2 2 不 同高温合金 涡轮盘 材料 裂纹 扩展 速率的比较 高 温合 金 涡轮盘 基本 上是在 疲 劳蠕变 交互 作用 条件下运 行 的 , 因而 在 这种 条件 下 的裂纹 扩 展速 率是 人 们最 为 关心 的 . 不 同高 温合 金涡 轮盘 材料 在 65 0 ℃ 疲 劳蠕 变交 互作 用 下 ( 即保 载 90 5) 的裂纹 扩展 速 率 的 比较 见 图 2 . 从 图 2 不难 看 到 , 裂 纹 扩 展速 率最 慢 的 当属 w as aP loy 和 固 溶 后 缓 冷 处 理 的 F G H 9 5 ( h )合 金 , 居 中 的 是 G H 13 2 , H S o H x6 9 ( H s 7 一8 ) , D A o H 16 9 (D A 7 18) , 裂纹 扩展 速 率 较快 的 合金 为 G H 87 1 , G H 76 1 和 固溶 后 盐 淬处理 的 F G H 9 5 (y) 合 金 . 比较这 些 裂纹 扩 展速 率 的 曲线 , 可 以 发 现这样 的特 点 : 凡是 裂纹 扩 展 速率 缓慢 的合 金不 是 曲 线 的斜 率在 发 生锐减 就是 曲线 出现 明显 的拐点 , 且 曲线 所对应 的应 力强 度 因子 △尤的范 围 是 较 宽 的 , 而 裂 纹 扩 展 速率 较 快 的 合金 其 曲线 总是 很 陡 的 , 曲线 的斜 率 变 化 较小 , 曲线 所 对 应 的乙K 的 范围 也较 窄 . b H S 7 18 . D A 7 I S 0 G H 8 7 1 . G H 7 6 1 + G H 13 2 . P O H9 5 ( h ) D Was 州 o y 0 F G H9 5 (y ) +: 爵 二 丁-0z丫 叹 · à息已日众之P讨 △刀 (M I 〕 a · m , ` 2 图 2 几种涡轮 盘材料在6 50 ℃ 保载 90 5周期持久条件下的裂纹扩展速率

·344 北京科技大学学报 1997年第4期 这一结果的显著事实是高合金化高强度的合金不一定裂纹扩展速率就快，而低合金化低 强度的合金其裂纹扩展速率不一定就慢，即使是同在一个FGH95粉末盘上取样，只是固溶处 理后的冷速不同，而导致裂纹扩展速率呈现出明显的差异，对应图1可见，高温合金祸轮盘材 料裂纹扩展速率的快慢不取决于强度高低，而与持久塑性密切相关，当持久塑性低于5%时， 其裂纹扩展速率都是较快的，而持久塑性较高的合金，其曲线的形状与持久塑性低的合金是 不尽相同的，多数曲线都出现明显的拐点， 从图2的结果还可见，判断高温合金满轮盘材料裂纹扩展速率的快慢.不能仅看裂纹扩 展速率曲线在da/dNAK坐标系中位置的高低，而应纵观整条曲线的形态. 2.3斯新口观察 不同高温合金祸轮盘材料的裂纹扩展速率曲线在da/d心AK坐标中所出现的差异，在其 断裂试样的断口得到明显的反映见图3. 图3涡轮盘材料在650℃保截90s条件下裂纹扩展速率试样SEM断口 aGH871;bFGH95y)盐淬，CFGH5(h)缳冷；d Waspoloy 不难看出，凡是低持久塑性而裂纹扩展速半较快的合金其试样断口均呈现十分清晰的沿 品脆性断口特征.如图3b所示的下GH95合金粉木盘经固溶后盐淬处理试样的断口，沿晶断 面平坦得像冰糖块一样，连韧窝的痕迹都没有而持久塑性较高裂纹扩展速率较慢的合金断 口则呈现穿晶的韧性断裂特征，韧窝布满了整个视场，图3(b.c)同是FGH95合金粉末盘，由 于固溶处理采用缓冷措施，使得晶内有大小2种尺寸的y·相，晶界获得链状析出物，使得强 度和塑性获得配合，不仅裂纹扩展速率威慢到令人不可相信的程度，同时也出现了韧性的断 口特征

Vol.19 No.4 徐志超等：高温合金祸轮盘材料的裂纹扩展速率 345· 3结论 (I)高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展速率不取决合金化程度的高低和合金强度的高低， 而主要取决于与时间相关的断裂塑性， (2)考察高温合金涡轮盘材料的裂纹扩展时，不能仅凭裂纹扩展速率曲线在da/dN△K坐 标系中位置的高低，而应依据曲线的斜率是否在锐减或出现明显的拐点，以及曲线所对应的 应力强度因子△K的范围来决定. 参考文献 1谢蔚.GH169,GH738和GH132合金祸轮盘在接近使用条件下的力学行为及高温强韧化研究：[硕士论 文].北京；北京科技大学，1989 2 Lerch A.A Study of Fatigue Damage Mechanisms in Waspaloy from 25 to 800 C.Materials Science and Engineering,1984总66)：l51 3 Koul A K,Au P,Bellinger N,Thamburoj P,et al.Development of a Damage Tolerant Microstructure for IN-718 Turbine Disk Material.In:Duhl O N,et al eds.Superalloys.NY:TMS,1988.3 Crack Growth Rate of Superalloy Turbine Disks Xu☑hichao ☑hou Jianbo Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Crack growth rate of superalloy turbine disks is tested by means of direct current-voltage.The results show that the CGR of superalloy turbine disks is decided by stress rupture ductility,not by strength of superalloy and the valuation of CGR is deter- mined by the incline of curve and the range of stress strength factor. KEY WORDS superalloy,turbine disk,crack growth rate

v of . 19 No .4 徐志 超等 : 高温合金 涡轮盘材料 的裂纹扩展速率 . 3 45 . 3 结论 (l) 高温合 金 涡 轮盘 材料 的裂 纹扩 展 速率 不 取决 合金 化程 度 的 高低 和 合金 强 度 的高 低 , 而主要 取 决于 与 时间相 关 的断裂 塑性 . (2 )考 察高 温合 金 涡轮 盘材 料 的裂纹 扩展 时 , 不能 仅凭裂 纹扩 展速 率 曲线 在 d a/ d~N d K坐 标 系 中位 置 的高低 , 而 应依 据 曲线 的 斜率是否 在 锐减 或 出现 明显 的拐 点 , 以 及 曲线 所 对应 的 应力 强度 因子 △K 的范围 来决 定 . 参 考 文 献 1 谢蔚 . C H 1 69 , G H 7 38 和 G H 1 32 合金 涡 轮盘在 接近使用 条 件下 的力学行 为及高 温强韧化 研究 :[ 硕士 论 文] . 北京 ; 北京科技大学 , 1 989 Z eL 代 h A . A S ut 勿 o f aF it g ue D田 n ag e Me c h翻 s m s i n Was alP o y for m 2 5 ot 80 0 oC . M a et ir al s s c i e nc e an d E n g ine e ir n g , 1 9 8 4 ( 总 6 6) : 15 1 3 K ` 〕 ul A K , A u P , B e l li n g e r N , hT am b u r oj P , e t al . eD v e l o Pn l e n t o f a l为n l ag e T o l e 溯t 肠 e or s u u c t u比 fo r I-N 7 1 8 T u r bl n e 压 s k M aet ir al . I n : E 七h l O N , e t al e ds . S u pe arl l o y s . N Y : T M S , 1 9 8 8 . 3 C r a e k G r o wt h R a t e o f S u P e r a l l o y T u ht i n e D i s k s 为止 刀之i e h a o M a et n al s S e i e nc e a n d E n g i n e e ir n g S e h o l , 刀王o u iJ a n b o U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C hi n a A B ST R A C T C acr k g r o w ht ar te o f s u pe ar ll o y tu irb n e id s k s 1 5 te s te d by m e an s o f d ire e t c u re n t 一v o l agt e . 丁五e re s ul ts s h o w ht at hte C G R o f s u pe ar ll o y tu rb i n e d i s ks 1 5 d e c id e d 勿 s tre s s n l Ptu re d cu it lity , n o t by s etr n g ht o f s u pe ar ll o y an d het v a lau it o n o f C G R 1 5 d e et -r 而 n e d 饰 ht e i n e li n e o f e u vr e an d het anr g e o f s ter s s s t er n g ht afC ot r . K E Y W O R D S s u pe ar ll o y , ut r ih n e d i s k , e acr k g or w ht ar et