MCrAlY涂覆的鎳基高溫合金及其基體合金的等溫和熱機械疲勞行為.pdf

1、鎳基高溫合金具有較高的高溫屈服強度和蠕變強度，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械疲勞(TMF)載荷，研究表明，材料的熱機械疲勞壽命比在熱機械疲勞循環(huán)最高溫度下的等溫低周疲勞(IF)壽命低。熱機械疲勞試驗是在實驗室中最能夠模擬高溫部件服役狀態(tài)的方法，因此對材料在TMF試驗條件下的損傷和失效機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)計和壽命預(yù)測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M963進行了450-900℃的熱機械疲勞行為研究和壽命預(yù)測研究。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、強度和延性加以對比發(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度，適合用來進行條件更為苛刻的熱機械

3、疲勞試驗。 對M963合金的同相位(IP)和反相位(OP)熱機械疲勞研究表明，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。這是由于熱機械疲勞高溫半周和低溫半周不同形變機制的交互作用導(dǎo)致了熱機械疲勞損傷較大的原因。此外，IPTMF和OPTMF的機械應(yīng)變—疲勞壽命曲線有輕微的交叉現(xiàn)象，當(dāng)機械應(yīng)變幅較大時，IPTMF的壽命較低，這是因為在較高的機械應(yīng)變幅下發(fā)生了蠕變損傷；而當(dāng)機械應(yīng)變幅較小時，OPTMF的壽

4、命較低，這被認為是OPTMF時的拉伸平均應(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。對斷口和剖面分析表明，IPTMF試驗條件下，當(dāng)機械應(yīng)變幅較大時，疲勞裂紋沿晶萌生，而當(dāng)機械應(yīng)變幅較小時，裂紋傾向于在枝晶間萌生；OPTMF試驗條件下，所有應(yīng)變幅時疲勞裂紋都穿晶萌生。 對用等溫疲勞數(shù)據(jù)預(yù)測熱機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)測熱機械疲勞壽命，這是因為其損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)測熱機械疲勞壽命。本文提出了一種熱機械疲勞總能量損傷壽命預(yù)測模型，此模型很好地解決了高強度低韌性鎳基高溫合金熱機械疲勞條件下塑性應(yīng)變幅過低導(dǎo)致無法用其進行壽命預(yù)測的問題。 由于實際服役條件下熱端部件表面經(jīng)常涂覆MCrAlY防護涂層和陶瓷熱障涂層，因此研究MCrAlY涂層對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℃熱機械疲勞條件下的開裂機制以及涂層對M963合金失效機制和疲勞壽命的影響。 對涂覆MCrAlY涂層的M963合金在900℃IF以及IP和OPTMF試驗條件下的失效機制和壽命的研究表明，在900℃IF試驗條件下，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，因此涂層延長合金的

7、疲勞壽命：在IPTMF試驗條件下，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，涂層延長合金的疲勞壽命；而在OPTMF試驗條件下，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