高溫合金的塑性良好、高溫性能和抗腐蝕性能優(yōu)異，在航空航天、核工程和石油化工等領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用[1,2]。GH4742合金是在700℃以上的溫度服役的渦輪盤(pán)用鎳基變形高溫合金[3,4]，其γ′強(qiáng)化相的含量較高，且兼具粉末冶金高溫合金的高服役溫度和變形高溫合金的高強(qiáng)度低成本的優(yōu)點(diǎn)[5,6,7,8]。這類渦輪盤(pán)用高溫合金服役在高溫、高壓和周期性載荷作用環(huán)境中，必須具有足夠高的熱強(qiáng)性和較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率[9,10]。疲勞裂紋擴(kuò)展速率是預(yù)測(cè)渦輪盤(pán)用高溫合金壽命的重要參數(shù)之一，也是損傷容限設(shè)計(jì)的必要指標(biāo)之一[11,12]。因此，必須有效控制疲勞裂紋擴(kuò)展速率以確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)安全服役。目前對(duì)在高溫服役的GH4742合金（渦輪盤(pán)）在含有初始裂紋承受反復(fù)加載過(guò)程中的安全性和可靠性的研究，鮮少報(bào)道[13,14]。鑒于此，本文探究GH4742合金在服役溫度下時(shí)效后組織的演化行為以及組織演化對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響及其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用GH4742合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：C 0.053，Cr 14.890，Ti 2.460，Al 2.640， Nb 2.540，Mo 5.040，Co 10.360，Mn 0.005，F(xiàn)e 0.180，Si 0.022，La 0.008，Ce 0.010，B 0.003，S 0.002，P 0.005，Ni bal。采用真空感應(yīng)爐和真空自耗爐的雙真空工藝熔煉合金，將其均勻化處理后鍛造成渦輪盤(pán)件。將合金在1080℃固溶處理8 h后空冷，而后再在780℃時(shí)效處理16 h后空冷。這種固溶時(shí)效處理過(guò)程，稱為標(biāo)準(zhǔn)熱處理（Standard heat treatment，SHT）。將SHT合金在箱式電阻爐中進(jìn)行高溫時(shí)效處理，時(shí)效溫度為750℃，時(shí)效時(shí)間分別為100 h（A合金）、500 h（B合金）和1000 h（C合金），時(shí)效處理后將合金空冷。

沿渦輪盤(pán)R-C方向截取750℃時(shí)效GH4742合金拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示。在室溫下利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，使用3根平行試樣，應(yīng)變速率為10-3 s-1。

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圖2   GH4742合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率CT試樣的尺寸

沿在750℃時(shí)效處理后的GH4742合金渦輪盤(pán)R-C方向截取疲勞裂紋擴(kuò)展速率CT試樣，其尺寸如圖2所示，試樣寬度W=60 mm，厚度B=12 mm，缺口長(zhǎng)度a0=12 mm。疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)在室溫下利用MTS810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)完成，加載波型為正弦波，加載頻率為10 Hz，應(yīng)力比為0.1，裂紋長(zhǎng)度采用柔度法測(cè)量。采用逐級(jí)降K方式預(yù)制2 mm裂紋后，使用控制應(yīng)力強(qiáng)度因子K梯度方法進(jìn)行試驗(yàn)。采用七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)[15]。

圖2   GH4742合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率CT試樣的尺寸

使用XHB-3000布氏硬度計(jì)測(cè)量合金的硬度。用JSM-7800F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金析出相形貌。用Ultra plus場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞裂紋擴(kuò)展路徑和斷口形貌。

2 結(jié)果和討論

2.1 GH4742合金時(shí)效處理后的顯微組織

圖3給出了GH4742合金時(shí)效處理后γ′相的SEM形貌。從圖3a可見(jiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)熱處理后的GH4742合金中析出三種不同形態(tài)和尺寸的γ′相，分別為方形或不規(guī)則形狀一次γ′相（直徑約1~3 μm）、花瓣?duì)罨蝾愔疃?gamma;′相（直徑約600~900 nm）和球形三次γ′相（直徑約20~30 nm）。

圖3   GH4742合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理和750℃時(shí)效處理后γ′相的SEM形貌

GH4742合金中的三種γ′相是在鍛造及標(biāo)準(zhǔn)熱處理過(guò)程中析出的。在合金的鍛造和空冷過(guò)程中γ′相從基體中析出并長(zhǎng)大，形成尺寸較大且形狀不規(guī)則的一次γ′相。在1080℃固溶處理過(guò)程中，由于固溶溫度未達(dá)到γ′相完全溶解溫度（1100℃），尺寸較大的一次γ′相未全部回溶[16]；同時(shí)，γ′相在γ/γ′相界面處形核并長(zhǎng)大，進(jìn)而形成了花瓣?duì)罨蝾愔畹亩?gamma;′相。而在780℃時(shí)效處理過(guò)程中γ′相形核過(guò)冷度較大，數(shù)量增多；但是該相的長(zhǎng)大速率較低，使三次γ′相的尺寸較小。

隨著時(shí)效處理時(shí)間的延長(zhǎng)（圖3b、c、d），合金中的一次γ′相略有長(zhǎng)大，邊界趨于圓滑化，出現(xiàn)分裂、界面朝某個(gè)方向凸起和自分解的失穩(wěn)現(xiàn)象；二次γ′相邊界圓滑化，沿花瓣?duì)罱缑娣至眩至殉潭让黠@增大；三次γ′相逐漸回溶于基體或聚集長(zhǎng)大成圓角方形γ′相。對(duì)三種γ′相的能譜分析結(jié)果表明，三種γ′相的化學(xué)成分相近，Al、Ti、Nb含量較高，并含有少量Cr、Co、Nb和Mo等元素。

圖4給出了GH4742合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理后MC型碳化物SEM形貌，可見(jiàn)MC型碳化物主要呈漢字狀或有規(guī)則的塊狀且尺寸較大。在時(shí)效過(guò)程中，MC型碳化物尺寸和形態(tài)未見(jiàn)顯著變化。

圖4   GH4742合金標(biāo)準(zhǔn)熱處理后MC型碳化物的SEM形貌

2.2 疲勞裂紋的擴(kuò)展速率

GH4742合金750℃時(shí)效處理后疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，如圖5所示。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，合金疲勞裂紋的擴(kuò)展速率呈增加趨勢(shì)。疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線分為近門檻區(qū)，Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)三個(gè)階段。應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK較低時(shí)，隨著ΔK的增大，A合金的da/dN增加速度小于SHT合金的。對(duì)Paris區(qū)曲線用Paris公式線性擬合而得到Paris常數(shù)（系數(shù)C和指數(shù)m）。Paris公式da/dN=C（ΔK）m列于表1。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)C值稍有降低，m值略有升高，但是數(shù)值沒(méi)有明顯的變化。

圖5   750℃時(shí)效GH4742合金疲勞裂紋的擴(kuò)展速率曲線

隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，時(shí)效后GH4742合金的疲勞裂紋擴(kuò)展速率呈增加趨勢(shì)，即抵抗裂紋擴(kuò)展能力降低。

近門檻區(qū)是合金疲勞裂紋擴(kuò)展起始階段，裂紋擴(kuò)展速率對(duì)組織較為敏感。近門檻區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑SEM形貌特征，如圖6所示。尺寸較大的一次γ′相和二次γ′相中Ti、Al、Nb含量較高，其硬度及強(qiáng)度較高，裂紋難切過(guò)這樣的γ′相擴(kuò)展。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，γ′相尺寸越大對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻力越大，γ′相周圍塞積位錯(cuò)的數(shù)量增加。位錯(cuò)塞積至一定程度使γ′相與基體沿相界面分離，為裂紋擴(kuò)展提供優(yōu)先通道。主裂紋以繞過(guò)一次γ′相和二次γ′相擴(kuò)展的方式為主，斷口呈現(xiàn)韌窩形貌特征[17]。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，一次γ′相和二次γ′相邊界圓滑化程度提高，圓滑γ′相對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力降低，減小裂紋擴(kuò)展吸收功，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率增加，裂紋擴(kuò)展抗力降低。

圖6   750℃時(shí)效GH4742合金近門檻區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的SEM形貌

750℃時(shí)效GH4742合金的拉伸性能和硬度值，列于表2。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈先升高后降低趨勢(shì)，A合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度值最高。合金的硬度變化趨勢(shì)與強(qiáng)度的變化相同。合金時(shí)效100 h后三次γ′相長(zhǎng)大到一定尺寸，合金屈服強(qiáng)度達(dá)到峰值[18]。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)三次γ′相持續(xù)長(zhǎng)大，一次和二次γ′相的裂化程度提高，屈服強(qiáng)度降低。ΔK較低時(shí)，隨著裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展三次γ′相對(duì)A合金強(qiáng)化效果最佳，疲勞裂紋擴(kuò)展抗力增加，疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低，因此在ΔK較低區(qū)域A合金裂紋擴(kuò)展速率隨著ΔK增長(zhǎng)的速度低于SHT合金。

以上結(jié)果表明，750℃時(shí)效GH4742合金近門檻區(qū)的裂紋擴(kuò)展速率受到一次和二次γ′相的邊界圓滑化和三次γ′相尺寸的綜合影響。

隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)三種γ′相的協(xié)同作用使強(qiáng)度高的合金在裂紋初期擴(kuò)展速率隨ΔK增長(zhǎng)較平緩，裂紋擴(kuò)展很快進(jìn)入第二階段，因此強(qiáng)度高合金裂紋擴(kuò)展曲線近門檻區(qū)與Paris區(qū)之間沒(méi)有明顯的界限。

圖7給出了SHT合金和C合金Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展路徑SEM形貌。由圖7可見(jiàn)，在Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)主裂紋也以繞過(guò)一次γ′相和二次γ′相的擴(kuò)展方式為主。在Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)裂紋尖端應(yīng)力集中程度增加，主裂紋周圍分支出二次裂紋以釋放尖端應(yīng)力。ΔK越大，二次裂紋數(shù)量越多。在快速擴(kuò)展區(qū)SHT合金二次裂紋切過(guò)一次和二次γ′相，γ′相受周圍位錯(cuò)塞積的剪切力而自身開(kāi)裂，裂紋以切過(guò)機(jī)制擴(kuò)展，降低裂紋擴(kuò)展消耗能量，一次和二次γ′相對(duì)裂紋擴(kuò)展的阻礙作用減弱。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)C合金的Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)二次裂紋均可切過(guò)一次和二次γ′相，C合金Paris區(qū)裂紋擴(kuò)展抗力低于SHT合金Paris區(qū)。這是Paris區(qū)裂紋擴(kuò)展速率隨時(shí)效時(shí)間延長(zhǎng)而增加的原因之一。由此可見(jiàn)，750℃時(shí)效GH4742合金Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展速率主要受應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的影響，裂紋以切過(guò)機(jī)制擴(kuò)展而降低了組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響。

圖7   750℃時(shí)效GH4742合金疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的SEM形貌

圖8給出了750℃時(shí)效GH4742合金疲勞裂紋擴(kuò)展斷口的表面粗糙度。由圖8可見(jiàn)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)疲勞斷口表面粗糙度降低，表明疲勞裂紋擴(kuò)展路徑曲折程度降低，組織對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗力降低，疲勞裂紋的擴(kuò)展速率增加。圖9給出了750℃時(shí)效GH4742合金疲勞裂紋擴(kuò)展斷口的SEM形貌特征。由圖9可見(jiàn)，在合金近門檻區(qū)的疲勞斷口中有較多的疲勞臺(tái)階。其原因是，主裂紋繞一次γ′相或二次γ′相擴(kuò)展時(shí)轉(zhuǎn)向阻力更低的晶體學(xué)平面，從而在斷口形成凹凸起伏有序的疲勞臺(tái)階。這將提高斷口的粗糙程度，降低裂紋擴(kuò)展速率。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)合金近門檻區(qū)斷口的疲勞臺(tái)階數(shù)量減少，斷口起伏程度減小，粗糙度降低，裂紋擴(kuò)展速率提高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在合金近門檻區(qū)斷口存在韌窩，因?yàn)橹髁鸭y沿著基體與一次γ′相或二次γ′相開(kāi)裂平面擴(kuò)展，在斷口一側(cè)保留γ′相，在另一側(cè)形成γ′相形狀，呈現(xiàn)韌窩形貌。在Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)斷口出現(xiàn)大量的平行疲勞輝紋，疲勞輝紋間距與對(duì)應(yīng)區(qū)域一次循環(huán)擴(kuò)展量相當(dāng)，表明此階段疲勞裂紋擴(kuò)展符合塑性鈍化機(jī)制[18,19,20]。疲勞輝紋數(shù)量隨著ΔK的增大而增多。對(duì)于相同的ΔK，隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)斷口疲勞輝紋寬度變寬，間距增大，表明裂紋擴(kuò)展速率提高。Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)的ΔK較大，裂紋尖端加載應(yīng)力明顯增加，MC型碳化物碎裂，主裂紋或二次裂紋均可穿過(guò)MC型碳化物。碎裂MC型碳化物為裂紋的擴(kuò)展提供有利途徑。

圖7   750℃時(shí)效GH4742合金疲勞裂紋擴(kuò)展路徑的SEM形貌

圖9   750℃時(shí)效GH4742合金近門檻區(qū)、Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)裂紋擴(kuò)展斷口的形貌

3 結(jié)論

（1） GH4742合金在750℃時(shí)效過(guò)程中析出方形或不規(guī)則形狀一次γ′相，花瓣?duì)罨蝾愔疃?gamma;′相和球形三次γ′相。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)合金中塊狀一次γ′相進(jìn)一步長(zhǎng)大且邊界圓滑化，二次γ′相沿花瓣?duì)罱缑娣至眩?gamma;′相回溶基體中或聚集長(zhǎng)大成圓角方形γ′相。

（2） GH4742合金疲勞裂紋的擴(kuò)展速率隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)呈提高趨勢(shì)，主裂紋以繞過(guò)一次和二次γ′相的方式擴(kuò)展。近門檻區(qū)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率對(duì)組織較為敏感，一次和二次γ′相邊界的圓滑化使疲勞裂紋的擴(kuò)展速率提高；Paris區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)內(nèi)的裂紋可切過(guò)機(jī)制擴(kuò)展，從而減弱組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響。

（3） GH4742在合金750℃時(shí)效后三次γ′相適當(dāng)粗化可提高合金的強(qiáng)度和ΔK較低區(qū)域裂紋擴(kuò)展的抗力，降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。