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摘要：通过对称负载循环和拉伸应力循环实验，研究了铸态和热等静压(HIP)GH4169高温合金的高频高温疲劳寿命。结果表明，热等静压处理可以改善GH4169高温合金的疲劳寿命、减小铸造缺陷尺寸，但对使用寿命的离散性影响不大。铸造缺陷尺寸可分为两类：小的孤立缺陷和在三维空间中由复杂的相互连接的缩孔组成的缺陷簇。这两类缺陷尺寸分布符合极值统计规律，使估计可能在给定体积的缺陷出现最大值成为可能。在疲劳试样中给定体积，缺陷的最大尺寸预测结果与在失效试样断裂面观察值相符。热等静压处理对GH4169合金高温抗疲劳性能有改善作用。

铸造GH4169高温合金具有高温服役寿命长、铸造性能好、不需热处理和相对低的成本等优点，主要用于制造飞行器、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮增压器。但在铸造GH4169高温合金中，容易出现晶粒尺寸大并且铸件包含气孔、疏松等缺陷。疲劳寿命较为离散，尤其是在高周疲劳区(HCF)。这显然影响该合金在涡轮增压器中的应用。目前有许多方法可以减小铸造缺陷，但都不能将其完全消除。通过热等静压(HIP)技术可以改善GH4169合金的蠕变和疲劳性能。HIP可以提高材料在蠕变和疲劳条件下强度的同时缩小蠕变性能的离散。

1、实验方法

疲劳测试试样从直径为20mm长度为100mm的铸棒上切割制得。试样制备主要有3点考虑，从铸造技术的角度，采用相同批次铸件。所有棒料通过X射线无损探伤检测，铸件中缺陷尺寸小于该检测方法的分辨极限0.5mm。试样如图1所示，标距长度为35mm，标距直径为5mm。试样经机加工和精磨，表面粗糙度Ra=0.4。热等静压(HIP)试样共制备25个。经机加工的试样在1000个大气压下1160℃加热3h冷却速率为10℃/min，在Ar保护气氛下冷却至900℃后在空气下继续冷却至室温。循环判定系数疲劳测试通过100kN谐振测试系统Amsler10HFP誖1478控制载荷在800℃下测试铸造和HIP试样在HCF区域疲劳性能。疲劳测试试样分为两组：平均应力0MPa和平均拉伸应力300MPa。在测试起始阶段，平均负载保持在0MPa，在设定温度800℃保温2h。然后开始平均应力0MPa对称应力测试。在平均拉伸应力300MPa测试时，在几秒内平均负载施加。在几百次负载循环达到满载振幅，加载频率为115Hz。试样加热在电阻炉中进行，测试时间内试样标距长度上温度误差为±1℃，标距中心部分温度梯度小于3℃/cm。

通过极值统计软件分析铸造缺陷尺寸及其分布。通过光学显微镜观察GH4169高温合金中铸造缺陷。金相试样在轴向截面和横截面制备，尺寸分别为5mm×20mm和直径为5mm。共分析了25个不同位置界面，面积S0=1.83mm2。

2、实验结果

图2所示为800℃铸造试样HCF疲劳寿命S-N曲线。对称负载与300MPa拉伸平均应力循环数据一同给出。可以看出S-N数据较为离散，其中对称疲劳负载数据离散更为明显。箭头表示出局试样。与对称疲劳负载相比，拉伸平均应力的疲劳负载试样S-N曲线向低应力偏移。对于104次循环试样偏移接近100MPa，并且随循环次数增加偏移略有降低。通过疲劳断口的形貌观察可以看出所有情况下断裂均起始于大的铸造缺陷，如图3。箭头表示鱼眼状裂纹的边界。

HIP试样疲劳寿命实验结果如图4。对称负载循环和300MPa拉伸平均应力循环数据与铸造试样相同，均为离散分布。图中实线和虚线为幂律拟合曲线。铸造试样和HIP试样幂律拟合系数σa=AN-bf和判定系数R2列于表1中。HIP试样断口形貌观察表明疲劳裂纹萌生方式与铸造试样相同，裂纹起始于铸造内部缺陷。图5给出了在应力振幅为250MPa循环106次后失效的试样断裂面示例。图6中圈出了裂纹起始位置，包含起始于裂纹的复杂三向缩孔。箭头指示的是孤立缺陷。

通过光学显微镜观察铸造和HIP试样中的铸造缺陷，图7所示为典型的显微照片。缺陷可以分为两组：①图中箭头标出的孤立缺陷；②缺陷簇，在晶间区域明显的三向缩孔。图7中用椭圆标出了缺陷簇。

通过图像分析研究了孤立缺陷面积变化。缺陷簇尺寸的变化更加复杂，因此本文提出了一种方法确认属于同一个缩孔的缺陷簇面积。通过尽可能接近缺陷簇面积的椭圆，定义缺陷簇面积的极值。尽管这个定义并不精确，但这个简单的处理得到的结果非常可信。这点会在第3节中详细讨论。铸造和HIP试样中孤立缺陷和缺陷簇的尺寸如图8。可以看出，两类缺陷尺寸极值统计直线与实际尺寸数据相吻合。与铸造试样相比，孤立缺陷的偏移表明HIP处理可以降低缺陷尺寸，在缺陷簇中可以得到相同的结论。

3、讨论

现有实验数据表明，HIP处理可以提高铸造Ni基高温合金致疲劳寿命。在本文中，对于对称负载和300MPa平均拉伸应力循环，在10~107次循环内S-N数据得到显著改善。图9中比较了铸态和热等静压GH4169合金的S-N曲线。可以看出与铸造试样相比，HIP试样对称负载对于拉伸平均应力107次循环疲劳极限分别提高了30%和80%，如表1所示。另一方面，S-N数据离散性没有明显变化。对于铸造和HIP试样对称循环判定系数R2分别为0.36和0.35。与平均应力测试结果相比较，R²值相似，HIP处理的作用并不显著。在数据中并没有观察到由HIP导致疲劳寿命离散分布的减小。因此，HIP处理，可以提高试样疲劳寿命，但并不能完全消除铸造缺陷和气孔。孤立缺陷和缺陷簇的分布如图8所示。经过极值统计分析可知，实验点能够和直线拟合相吻合，缺陷分布符合极值统计。既适用于孤立缺陷也适用于缺陷簇。重要的是在该条件下极值统计能够估算在一个给定体积内可能出现的缺陷的最大尺寸。

疲劳试样最大缺陷Sspec可以按照以下方法预测。第一步，缺陷的最大值（面积的平方根）确定为 与疲劳试样标距轴截面面积相等的参照面积 Sref=5mm×35mm。 按照回归周期 Sref 到 S0=1.83mm2 、 T=96， 通过外推法计算获得的结果绘制于图 8 中。 该区域最大缺陷尺寸 DT=96=43、 56、 446、 591 μm 分 别对应于 HIP 试样和铸造试样中的孤立缺陷和缺 陷簇。铸件中的缺陷是三维的，在横向和纵向截面尺 寸相同，因此可以推断在体积为 SrefDT=96 一个立方体 中观察到这些尺寸的三维缺陷。 在试样标距上具有 这些尺寸缺陷的数量 N=Sspec/SrefDT=96。 对于整个试样体积的回归周期可以定义为 Tspec=TN。 对于铸造材料 该方法得到的缺陷簇回归周期 T=638， 最大缺陷尺 寸为 800μm，如图 8 所示。 比较预测值和实际缺陷尺 寸。 缺陷如图 3 所示，面积为 1.180mm2 金相截面（在 图中用椭圆圈出）， 获得的面积的平方根 =1086 μm。 两个值可以被认为是相接近的，尤其是考虑到缺陷 簇的面积计算的不精确。 类推，HIP 试样中簇最大缺 陷尺寸 620 μm， 缺陷尺寸在图 6 中面积的平方根 =550 μm，再一次与预测值相一致。 从图 8 和疲劳断 口的显微照片中更可以看出只有巨大的裂纹是具 有危害性的，而小的孤立缺陷是无害的，如图 6 中 箭头所示的缺陷。 

上述讨论结果中，通过金相确定试样中最大缺 陷的精确性值得讨论。 金相法确定缺陷尺寸应该是 非常准确的，因为实际上通过金相截面测得的缺陷 尺寸肯定不是缺陷最大的尺寸。 与小尺寸缺陷相 比，缺陷的实际形状是非常复杂的，尤其是缺陷簇。 本文结果表明，根据内切椭圆预测缺陷尺寸与对应 缺陷金相观察获得的缺陷尺寸是相符的。 这意味着 金相法能够合理的用于预测在铸造试样中最大的 缺陷。 另外一个应该被讨论的问题是， 实际上图 8 中实验点数量较少。 在图中，对于 HIP 试样中缺陷 簇只有 6 个点。 在 100mm2 的截面上分析面积为 1.83mm2 的 25 个不同位置。 在这个小的面积上有 许多小的孤立缺陷， 但大缺陷簇出现频率非常低。 增加测试位置的数量意味着需要增加探伤面积。 如 果在几个试样位置上进行分析，尽管实验数据点的 数量较少，但观察到的趋势是相同的，并且对于特 定试样的预测是合理的。 

在缺陷附近疲劳裂纹增殖可分为晶体学的和 非晶体学的。 通常认为在 Ni 基合金晶体学发生在 阶段 I 和非晶体学发生在阶段 II [3]。 图 10 所示为主 要通过非晶体学裂纹扩展产生的断裂面 （标记为 A）。 断裂面在宏观上垂直于主应力。 在缺陷附近可 以观察到一些晶体学面， 如图中用箭头指出位置。

这些晶体学面通常以高角度倾斜于先前的非晶体学 宏观断裂面。 晶体学面形成机制包括局部滑移和沿 {111}晶体学面滑移带，在铸造试样中它们的长度很 长[4-6]，通常终止在晶界和沿着试样分离的晶体学面。 在缺陷处强烈的应力集中可以促进滑移进行和结合 破坏过程。 铸件中缺陷尺寸是变化的、 形状是不同 的， 表明他们应力集中因素不同。 这些不同是 S-N 曲线数据离散的原因。

4 结论

热等静压处理可以提高铸造 GH4169 高温合金 在 800 ℃的疲劳性能。与对称疲劳负载相比，拉伸平 均应力的疲劳负载试样 S-N 曲线向低应力偏移。 由 于大的铸造缺陷导致的 S-N 数据离散，在 HIP 处理 后仍然存在。 在给定面积里，应用极值统计分析、金 相测量铸造缺陷尺寸可得出合理的最大缺陷尺寸， 通过疲劳断裂面金相分析证实了预测的准确性。