镍基合金表面再结晶对高温低周疲劳性能影响的研究

【摘要】通过细致的分析得知，表面产生的再结晶层在一定程度上会影响到镍基合金自身的高温低周疲劳性能。在高温环境中进行的试验证实，镍基合金中的疲劳裂缝产生在表面结晶层当中的缺陷位置。在表面再结晶处，可以十分清楚的观察到裂缝穿晶的发展趋势。在同等条件之下，表面存在结晶层的合金寿命要比不存在结晶的低很多。通过原位疲劳试验可知，前面提到的裂缝存在机理得到了进一步的证实。

【关键词】镍基合金；表面再结晶；高温低周疲劳；性能影响

一、镍基合金表面再结晶对高温低周疲劳性能的影响原理

二、试验材料与方法

试验过程所用的合金材料样本为DZ4，该样品和各项化学成分及其含量如表1所示。

表1 DZ4样品的化学成分及其含量

成分 Cr W Co Mo Al Ti C B Ni

在疲劳试验进行完之后，还需对样品的断口进行观测，从而达到分析样品实际断口特征的目的。并在此基础上使用金相法进行针对性的分析，进而确定合金表面上再结晶的厚度。

三、试验结果

（一）疲劳寿命

如表2所示。

表2 不同的扭转性形变参数对镍基合金自身高温低周疲劳性能所造成的影响

扭转角度 疲劳寿命 断口沿晶特征区深度/

再结晶深度（金相）/

0 821 0 0

307 430 490

173 470

8 750 1200

66 620

0.75

13 890

由表2可知，样品扭转程度不断增大，样品所对应的高温低周疲劳性能会随之降低。

（二）组织观察

为了查明合金断口位置的沿晶特点预期再结晶层二者之间的实际联系，将断口沿着垂直方的断面打磨制成断口金相，从而进行观察研究。

通过观察研究可以明显看出，断面的周围覆盖一定厚度的结晶组织，断面上产生的裂缝随着晶界的扩大不断延伸，而且断面的周围还见到许多扩展性裂缝，并有进一步扩展的趋势，因此可以得出再结晶与合金的连接位置是产生裂缝的主要部分。

从合金断口看，断口主要在样品表面的结晶处产生，源区属于沿晶特点，由于定向凝固合金在没有进行结晶的条件下，是不会产生横向晶界，所以可以准确的判别裂缝的主要产生位置与具体的延伸趋势。通过数据分析得知，随着沿晶区实际深度的不断增加，合金样品的高温低周疲劳性能就越低。

由于试样过程中承受了较大的载荷，在裂缝逐渐扩大到一定程度之后，由于裂缝顶端的实际应力强度较大，所有裂缝在表合金表面的结晶位置也会存在穿晶断裂，使得断口位置的沿晶深度比再结晶的实际深度要小。若综合考虑再结晶区域深度以及合金的高温低周疲劳性能之间存在的关系，这样一来，样品的寿命随其结晶表面的实际深度增加而不断减小。

扭转形变程度一样的样品，其高温低周疲劳性能存在一定的差别，决定高温低周疲劳性能的主要因素为沿晶特征区的实际大小。

（三）再结晶层上的缺口效应

对于定向凝固的高温合金而言，其具有一定优异性能的原因在于呈现出束状的柱状晶排列，有效的消除掉横向晶界。在样品表面产生洁净层以后，可能产生的实际影响可以总结为以下几个方面：

表面再结晶层的强度较低，这是因为存在横向晶界的作用。在受到与柱晶产生方向相同的应用时，表面再结晶层裂缝产生的较快，最终形成裂缝源或者是疲劳源。

再结晶层无法与基体一同进行形变，表面再结晶层的实际弹性模量与伸长量等特点与基体存在较为限制的差别，而且表面再结晶层和基体之间存在一定大小的界面。在承受到一定轴向力作用后，其界面发生的夺形无法协调的进行下去，进而成为危险源。

在合金表面的再结晶层上产生的缺口效应，再结晶层的实际强度较低，而且存在一定横向的晶界，进而造成不同程度的裂缝，形成裂缝源头。由于形变过程不能协调的进行，所以也容易形成裂缝源头。如果裂缝形成，则相当于在合金系统的外表面上产生了缺口，大幅降低了合金样品的实际寿命，与此同时，缺口促进了应力的集中，裂缝的延伸速度快速增加。并且，由于结晶层的实际强度较低，使得合金的承载能力大幅下降，进而降低了疲劳裂纹所对应的扩展寿命。

总结

（1）合金表面再结晶层会使其低周疲劳性能大幅降低，并且随着结晶层厚度的不断增加，性能的降低程度将逐渐变大；

（2）合金表面再结晶层在断口位置上可能会形成裂缝源，断口位置上的沿晶区是表面裂纹在晶界上进行形成与扩展过程中造成的；

（3）再结晶层自身的实际强度较低，加之形变过程不够协调，使得定向凝固合金原本稳定的性能在高温的条件下生成结晶面，进而降低合金的高温低周疲劳性能。