文章编号: 1004-0609(2004)09-1489-05

GH4049镍基高温合金的高温蠕变行为

陈立杰, 谢里阳, 冮铁强

(东北大学 机械工程与自动化学院, 沈阳 110004)

摘 要: 研究了镍基变形高温合金GH4049, 在实际工作温度范围700~900℃, 应力137~600MPa下的高温拉伸蠕变行为, 得到了蠕变后的高温应变恢复曲线。 提出了应用参数优化估计的方法, 在较大温度及应力范围内, 计算稳态蠕变率的宏观唯象公式中的各参数, 并用ZA27和GH4049合金的实验数据验证了该方法的可行性。 GH4049合金各温度下的稳态蠕变速率与所施加的应力, 在双对数坐标系下呈线性关系, 应力指数平均值为7.6851, 平均稳态蠕变激活能为543.6kJ/mol。

关键词: GH4049合金; 蠕变行为; 稳态蠕变速率; 应变恢复; 稳态蠕变激活能 ; 参数优化估计 中图分类号: TG146.15

文献标识码: A

Tensile creep behavior of GH4049 nickel-based superalloy at high temperature

CHEN Li-jie, XIE Li-yang, GANG Tie-qiang

(School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract: The high temperature tensile creep behavior including high temperature strain recovery after creep was investigated for GH4049 nickel-based wrought superalloy. The selected temperature range was 700-900℃ in terms of the actual service temperature and the applied stress range was 137-600MPa. An optimization method of parameter estimate was presented to calculate the constants in the phenomenological equation of steady-state creep rate in a larger temperature and stress range and then the feasibility of the optimization method was validated for ZA27 alloy and GH4049 superalloy. For GH4049 superalloy, there is a linear relationship between the steady-state creep rate and the applied stress in the logarithm coordinate system at all studied temperatures. The mean stress exponent is 7.6851 and the steady-state creep activation energy is 543.6kJ/mol, which is much greater than the activation energy for the atomic self-diffusion of Ni.

Key words: GH4049 nickel-based superalloy; tension creep behavior; steady-state creep rate; strain recovery; steady-state creep activation energy; optimization method of parameter estimate

GH4049合金是一种复杂合金化的难变形镍基高温合金, 在高温下具有良好的抗氧化性能以及高的抗拉强度、 蠕变抗力等。 它主要用作在900℃[1]以下温度工作的航空发动机涡轮转子叶片和其他高温承力件。 航空发动机涡轮转子叶片, 在高温工作环境中承受较大的离心负荷、 气动力等, 因而拉伸蠕变特性的研究是该合金性能研究的一项基础工作。 目前对于GH4049合金短时性能的研究较为充分, 对其长时蠕变特性的研究尚显欠缺。 而对于航空发动机热端构件用镍基高温合金, 根据实际承载状况, 所需的长时实验研究涉及范围较广, 应包括[2]: 拉伸蠕变响应、 应力松弛、 蠕变后高温应变恢复、 多级加载蠕变响应历史等, 这是GH4049合金的应用及其结构件强度分析与寿命预测的基础。

本文作者对GH4049合金在某航空发动机涡轮叶片工作温度范围内, 不同应力下的高温蠕变行为进行了研究, 包括拉伸蠕变响应、 蠕变后高温应变恢复及稳态蠕变速率理论分析。

1 实验

1.1 材料

GH4049合金棒材在热处理状态下使用, 热处理制度为: 1200℃、 2h, 空冷+1050℃、 4h, 空冷+850℃、 8h, 空冷+表面渗铝。 试样为双头螺纹试样, 初始计算段尺寸为d8mm×100mm。

在Cambridge S-360型扫描电镜下进行能谱分析所得合金主要化学成分见表1。

表1 GH4049合金的化学成分

Table 1 Chemical compositions of GH4049 (mass fraction, %)

GH4049合金原始组织形貌[3]如图1所示。 它以面心立方结构的有序金属间化合物γ′为主要强化相, 典型的γ′析出相为(Ni,Co)3 (Al,Ti), 呈方形, 其体积分数约为40%, 对镍基高温合金的高温力学性能起主要作用。 在GH4049合金晶界上有链状分布的M6C型碳化物, 晶粒内有零星分布的块状MC型碳化物。

1.2 实验方法

图1 GH4049合金原始组织

Fig.1 Original microstructure of GH4049 nickel-based superalloy

蠕变实验采用100h定时截尾, 卸载后保温进行4h应变恢复。 根据GH4049合金实际的工作温度范围, 选择实验温度为700~900℃, 属高温蠕变[4, 5](t>0.5tm, tm为熔点, ℃)。 在高温区, 随温度与应力的升高, 蠕变性能变化较大, 各温度下均采用相同的应力范围难以实现。 因而本实验以温度为参数, 应力的选取以能获得稳态蠕变速率为标准, 总应力范围为137~600MPa。

2 结果与分析

2.1 高温蠕变与应变恢复曲线

图2所示为GH4049合金在800与850℃下的蠕变曲线。 各应力下具有明显的稳态蠕变阶段, 稳态蠕变速率随应力及温度的升高而增加。 由图2(a)可见, 该合金在800℃下, 承载为380MPa时, 保载70h左右已进入加速蠕变阶段, 而稳态蠕变速率量级在10-7 s-1以下, 表明该合金在高温下具有良好的蠕变抗力。

图2 GH4049合金的蠕变曲线

Fig.2 Creep curves of GH4049 superalloy

在蠕变温度范围内, 卸载后蠕变第1阶段的变形会部分得到恢复。 对于高温循环加载条件, 高温应变恢复是一个重要的考虑因素, 因而有必要对GH4049合金的高温应变恢复进行适当研究。 图3(a)和3(b)所示为GH4049合金在800℃与850℃蠕变100h, 卸载后的高温应变恢复曲线。 可见在高温下, 卸载后的蠕变恢复较明显, 主要集中于恢复过程中的前1h, 之后逐渐趋于稳定。 蠕变恢复量最大者达总变形量的6.97%, 因而在高温循环加载下是不容忽略的。

图3 GH4049高温应变恢复曲线

Fig.3 Strain recovery after tensile creep of GH4049 superalloy

2.2 稳态蠕变速率

由GH4049合金蠕变曲线的线性段可得到稳态蠕变速率, 见表2。

在蠕变恢复温度范围内, 当应力不太大时, 可观测到明显的稳态蠕变阶段。 稳态蠕变速率可用宏观唯象公式表示为[6-11]

式中A为材料常数; 为稳态蠕变速率; σa为施

表2 GH4049合金拉伸蠕变的稳态蠕变速率

Table 2 Steady state creep rate of GH4049 superalloy

加的应力; R为普适气体常数; Q为稳态蠕变激活能; T为绝对温度; n为应力指数。

对于某一给定的温度有

式中A′为温度相关常数。

各温度下的与σa在双对数坐标下呈线性关系(图4)。 各温度下应力指数分别为: 7.8170(900℃), 7.8017(850℃), 7.4657(800℃), 7.6558(700℃), 平均值为7.6851。 各温度下线性拟合结果应力指数相近。

图4 稳态蠕变率与应力的双对数线性关系

Fig.4 Relationship between steady-state creep rate and applied stress in logarithmic coordinate system

对式(1)两端分别取自然对数有

参照文献[12]、 [13], 作者在实验过程中以温度作为参数进行实验, 稳态蠕变激活能可以由参数优化估计求得, 而实验应力不受其他限制, 只要能够得到稳态蠕变速率即可。

由式(3)可知,应有线性关系, 且斜率为1。 据此, 可做参数优化估计, 从而求得稳态蠕变激活能Q的最优值。 优化目标可以有2种不同的选择方法: ①使lnε[DD(-*2]·[DD)]ss与[nlnσa-Q/(RT)]的线性拟合直线斜率最接近1; ②数据点的分散带最小[12, 13], 即子样标准差最小。 适当的选择Q值, 即可达到优化目标。 当实验数据较为理想时, 目标①与②理论上可同时达到最优值。

参数优化估计结果: 采用优化目标①时, 平均稳态蠕变激活能为543.6kJ/mol, 拟合直线斜率为0.9999, A为0.0754, 子样标准差0.2963, 相关系数为0.984(图5); 采用优化目标②时, 平均稳态蠕变激活能为548.7kJ/mol, 拟合直线斜率0.9828, A为0.0988, 子样标准差0.2937, 相关系数为0.985, 两种方法计算结果吻合。

由文献[6]可知, 在高温下, 纯Ni的应力指数接近5, 位错攀移是其高温蠕变的主要控制机制之一。 抗蠕变合金GH4049是复杂合金, 由于弥散分布的γ′强化相的存在, 其应力指数高达8左右, 从而所得的稳态蠕变激活能也远大于镍的自扩散激活能(约285kJ/mol[5])。

文献[14]中铸态ZA27合金数据中存在明显笔误数据: 20℃下, 100MPa时的稳态蠕变速率应为8.67×10-8, 应力指数平均值为3.86。 用本文所提出的优化目标①, 进行参数优化估计得: 平均稳态蠕变激活能为83.3kJ/mol, 拟合直线斜率为0.9999, 子样标准差为0.5375, 相关系数为0.993。 同时子样标准差也达到了最小值, 两个优化目标同时实现, 可见该组数据较为理想(图6), 所得结果与文献[14]中的实验结果相符。

图5 Q为543.6kJ/mol 时ε[DD(-*2]·[DD)]ss与[nlnσa-Q/(RT)]的关系

Fig.5 Relation of lnε[DD(-*2]·[DD)]ss vs [nlnσa-Q/(RT)]

图6 Q为83.3kJ/mol 时ε[DD(-*2]·[DD)]ss与[nlnσa-Q/(RT)]的关系

Fig.6 Relation of lnε[DD(-*2]·[DD)]ss vs [nlnσa-Q/(RT)] with Q of 83.3kJ/mol

3 结论

1) 提出了应用参数优化估计方法, 计算稳态蠕变激活能。 可以适当减少对实验条件的限制和计算结果对实验数据的依赖性, 提高实验的可行性与经济性。

2) 对GH4049和ZA27合金应用参数优化估计方法进行了唯象经验公式中参数的计算。 ZA27合金参数优化估计方法的计算值与实验结果相符, 证实了参数优化估计方法的可行性。

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基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目(G19990650)

收稿日期: 2004-02-01; 修订日期: 2004-05-17

作者简介: 陈立杰(1975-), 女, 博士研究生.

通讯作者: 陈立杰, 电话: 024-83678622; E-mail: chenlj_lizzy@126.com

(编辑 陈爱华)