镍基高温合金的高温超高周疲劳失效机理与寿命预测

镍基高温合金被广泛用于制造航空航天设备的关键零部件如涡轮发动机等，其工作中除了要求承受高温外，还要求其疲劳寿命达到千万周次以上。本项目针对其在高温下的超高周疲劳断裂研究还非常有限的现状，选取代表性镍基高温合金Inconel718为研究对象，搭建高温超声疲劳试验系统，并采用超声疲劳试验方法探讨晶粒尺寸、温度和加载频率对镍基高温合金超高周疲劳特性的影响；通过表面裂纹的连续观察和断口的微观分析阐释温度和应力共同作用下在超高周领域疲劳裂纹从材料内部萌生和初始扩展的机理；基于对裂纹观测与分析的结果建立裂纹萌生与扩展寿命表征，提出损伤表征参量，建立疲劳寿命预测模型。高温超高周疲劳破坏机理的解明将有助于更加深入理解金属材料疲劳破坏的本质特征，同时弥补了高温环境中高温合金超高周疲劳研究方面的不足，具有较重要的科学意义和较广阔的应用前景。其研究成果对新型高性能高温合金的研发也具有推动作用。

高温合金被广泛用于制造航空航天设备的关键零部件如涡轮发动机等，其工作中除了要求承受高温外，还要求其疲劳寿命达到千万周次以上。本项目选取代表性镍基高温合金作为主要研究对象其超高周疲劳行为和性能，主要研究内容包括：（1）高温合金在超高周疲劳领域的S-N曲线特征；（2）温度、晶粒尺寸和加载频率对镍基高温合金超高周疲劳行为的影响；（3）超高周疲劳寿命的失效机理和行为表征。超声疲劳实验是目前进行超高周疲劳研究方面最可行的且高效率的研究手段，因此试件的形状和尺寸合理设计是本项目能否成功的关键之一。课题组先依据谐振动力微分方程选取高强度铝合金2017-T4用于验证超声疲劳试验系统的可行性与可靠性，疲劳试验结果表明加载频率对铝合金的疲劳强度、裂纹萌生与扩展行为和破坏机理没有明显的影响。在此基础上设计制作了镍基高温合金GH4169超声疲劳试样并进行了疲劳试验。结果表明在超过千万周次循环后试样仍发生疲劳破坏；S-N曲线呈逐渐下降的趋势；疲劳裂纹优先萌生于试样的表面，裂纹萌生于内部的试样断面裂纹源处同时发生了塑性破坏和脆性破坏。Inconel718的高温疲劳试验结果显示在高应力短寿命领域中高温的疲劳强度小于室温，在高周及超高周领域中高温下的疲劳强度反而高于室温下的，S-N曲线呈现出阶梯形状；在超高周领域SEM观察结果显示中高温下内部破坏起点能观察到沿晶断裂。中高温下发生内部破坏的主要原因是一方面由于高温氧化抑制了表面裂纹的发生及传播, 另一方面是由于内部由于温度的影响滑移变得相对容易。晶粒尺寸对疲劳强度和内部裂纹的萌生机理都有着重要影响。课题组通过调节热处理工艺参数获得具有了三种不同晶粒尺寸的试件，疲劳试验结果显示随着晶粒尺寸增加其疲劳强度降低，疲劳强度和晶粒尺寸的倒数根之间也呈现出线性关系。断口的能谱分析结果确定了裂纹源的位置、裂纹扩展规律和高温氧化因素对疲劳损伤的影响，表明在长寿命领域虽然也有表面裂纹萌生但由于表面氧化其扩展会被抑制，而同时在内部由于材料中偏析物容易引起在晶界产生应力集中从而导致裂纹沿晶界萌生并导致最终断裂。通过上述研究工作揭示了高温合金在超高周领域发生疲劳损伤的过程和规律，尤其是内部裂纹萌生及扩展机理，这些成果将有助于更加深入理解金属材料疲劳破坏的本质特征，对新型高性能高温合金的的研发和性能的提高也具有推动作用。