MCrAlY涂覆的鎳基高溫合金及其基體合金的等溫和熱機(jī)械疲勞行為.pdf

1、鎳基高溫合金具有較高的高溫屈服強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度，以及良好的抗熱腐蝕和抗氧化性能，因此被廣泛應(yīng)用于制作渦輪葉片和導(dǎo)向葉片，以及其它高溫結(jié)構(gòu)部件。絕大多數(shù)的高溫結(jié)構(gòu)部件在服役條件下都承受著熱機(jī)械疲勞(TMF)載荷，研究表明，材料的熱機(jī)械疲勞壽命比在熱機(jī)械疲勞循環(huán)最高溫度下的等溫低周疲勞(IF)壽命低。熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中最能夠模擬高溫部件服役狀態(tài)的方法，因此對(duì)材料在TMF試驗(yàn)條件下的損傷和失效機(jī)制的研究是十分重要的，這將為高溫結(jié)構(gòu)部件的

2、疲勞設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)提供可靠的理論依據(jù)。 本文研究了兩種鑄造鎳基高溫合金M38和M963在900℃下的低周疲勞行為，并對(duì)M963進(jìn)行了450-900℃的熱機(jī)械疲勞行為研究和壽命預(yù)測(cè)研究。結(jié)果表明，M38和M963在900℃下均表現(xiàn)出了良好穩(wěn)定的低周疲勞性能。將M38與M963在900℃的抗氧化性能、強(qiáng)度和延性加以對(duì)比發(fā)現(xiàn)，M963具有與M38接近的抗氧化性能，可以接受的延性，以及較為突出的高溫強(qiáng)度，適合用來進(jìn)行條件更為苛刻的熱機(jī)械

3、疲勞試驗(yàn)。 對(duì)M963合金的同相位(IP)和反相位(OP)熱機(jī)械疲勞研究表明，與同應(yīng)變速率下的900℃IF相比較，IP和OPTMF總是具有較低的壽命。這是由于熱機(jī)械疲勞高溫半周和低溫半周不同形變機(jī)制的交互作用導(dǎo)致了熱機(jī)械疲勞損傷較大的原因。此外，IPTMF和OPTMF的機(jī)械應(yīng)變—疲勞壽命曲線有輕微的交叉現(xiàn)象，當(dāng)機(jī)械應(yīng)變幅較大時(shí)，IPTMF的壽命較低，這是因?yàn)樵谳^高的機(jī)械應(yīng)變幅下發(fā)生了蠕變損傷；而當(dāng)機(jī)械應(yīng)變幅較小時(shí)，OPTMF的壽

4、命較低，這被認(rèn)為是OPTMF時(shí)的拉伸平均應(yīng)力以及氧化與疲勞的交互作用發(fā)生綜合損傷的結(jié)果。對(duì)斷口和剖面分析表明，IPTMF試驗(yàn)條件下，當(dāng)機(jī)械應(yīng)變幅較大時(shí)，疲勞裂紋沿晶萌生，而當(dāng)機(jī)械應(yīng)變幅較小時(shí)，裂紋傾向于在枝晶間萌生；OPTMF試驗(yàn)條件下，所有應(yīng)變幅時(shí)疲勞裂紋都穿晶萌生。 對(duì)用等溫疲勞數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)熱機(jī)械疲勞壽命的研究表明，Zamrik模型和Miller模型能夠很好地使用等溫疲勞數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)熱機(jī)械疲勞壽命，這是因?yàn)槠鋼p傷參量綜合考慮了塑性應(yīng)

5、變和彈性應(yīng)變；而只考慮塑性應(yīng)變的Ostergren模型不能夠用等溫疲勞數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)熱機(jī)械疲勞壽命。本文提出了一種熱機(jī)械疲勞總能量損傷壽命預(yù)測(cè)模型，此模型很好地解決了高強(qiáng)度低韌性鎳基高溫合金熱機(jī)械疲勞條件下塑性應(yīng)變幅過低導(dǎo)致無法用其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的問題。 由于實(shí)際服役條件下熱端部件表面經(jīng)常涂覆MCrAlY防護(hù)涂層和陶瓷熱障涂層，因此研究MCrAlY涂層對(duì)材料疲勞性能的影響十分重要。本文研究了分別涂覆大氣等離子噴涂(APS)和高速氧火焰噴

6、涂(HVOF)MCrAlY涂層的M963合金在900℃等溫疲勞及450-900℃熱機(jī)械疲勞條件下的開裂機(jī)制以及涂層對(duì)M963合金失效機(jī)制和疲勞壽命的影響。 對(duì)涂覆MCrAlY涂層的M963合金在900℃IF以及IP和OPTMF試驗(yàn)條件下的失效機(jī)制和壽命的研究表明，在900℃IF試驗(yàn)條件下，MCrAlY涂層為韌性金屬，涂層中的裂紋是在高溫氧化與疲勞機(jī)制的交互作用下逐漸萌生的，而試樣的失效并不是由涂層的開裂所引起，因此涂層延長(zhǎng)合金的

7、疲勞壽命：在IPTMF試驗(yàn)條件下，MCrAlY涂層中沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋，失效是由于涂層/基體界面的缺陷引起的，涂層延長(zhǎng)合金的疲勞壽命；而在OPTMF試驗(yàn)條件下，MCrAlY涂層循環(huán)五周內(nèi)即發(fā)生了脆性開裂，裂紋直接貫穿至涂層/基體界面，造成基體中提前萌生疲勞裂紋，因此降低了試樣的疲勞壽命。此外，在同等試驗(yàn)條件下HVOFMCrAlY涂層中的裂紋密度較APSMCrAlY涂層小，而且涂層中存在較多未貫穿的短小裂紋，這是由于HVOFMCrAlY涂層