顾玉丽，魏振伟，蒋睿哲

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京 100095)

0 引言

随着航空工业的发展，对发动机在推力和推重比等各项性能指标的要求越来越高，焊接结构在航空发动机上得到了更多的应用，如发动机的机匣、管路等［1-2］。航空发动机构件按日趋轻质化的同时也对其焊接质量提出了更高的要求，因此，对发动机焊接件力学性能的研究尤为重要。疲劳裂纹扩展速率是金属材料的重要力学性能之一，也是工程构件损伤容限分析的重要依据［3-4］。镍基变形高温合金GH625 和GH536 均具有冷热加工成形和焊接性能良好的特点，适合用于制作先进航空发动机的油路导管［5-6］。发动机导管焊接件的疲劳裂纹扩展速率是进行疲劳寿命预测的基础［7］，研究变形高温合金管路的疲劳裂纹扩展速率，可为发动机结构件的安全可靠性提供技术支持，对合金的应用提供重要参考。

本研究测定航空发动机管路用高温合金GH625 和GH536 的母材及焊接接头各个部位(焊缝中心、热影响区、熔合线附近)在室温下的疲劳裂纹扩展速率，同时使用Paris 公式对裂纹扩展速率进行拟合，得到高温合金GH625 和GH536 的母材及焊接接头不同位置的裂纹扩展速率参数，并结合合金疲劳扩展速率的断口特征和组织结构，分析研究两种合金焊接接头与母材的疲劳裂纹扩展速率差异的原因。

1 试验材料及方法

试验所用母材为GH625 和GH536 合金，两种材料的管材均采用手工钨极氩弧焊焊接，焊丝采用与试验材料相同牌号的合金。

取GH625 和GH536 合金的母材、焊缝中心、熔合线和热影响区作为疲劳裂纹开缺口的试验部位，依据GB/T 6398—2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》对各个部位进行疲劳裂纹扩展速率测试，试验条件为室温并采用三点弯曲试样，试验在Instron8801-50 kN 万能疲劳试验机上进行，试样尺寸见图1，2 个试样规格均为100 mm ×20 mm×2.5 mm。裂纹长度检测通过试样下方的引伸计使用柔度法检测，频率为15 Hz。通过得到的裂纹长度a、循环周次N 及当时的应力强度因子幅ΔK，将a-N 曲线求导，得到曲线不同裂纹长度下的斜率da/dN，经过数据处理得到各个位置的da/dN-ΔK 曲线以及拟合函数。

2 结果与讨论

2.1 疲劳裂纹扩展速率

在室温条件下进行疲劳裂纹扩展速率试验时，da/dN-ΔK 曲线分为3 个阶段，本次试验主要研究曲线的第二阶段，即裂纹扩展中期阶段。为了得到Paris 公式(da/dN=CΔKm)中得到材料常数C 和m 值，将Paris 公式两边同时取对数，得到

在此双对数坐标里，Paris 公式中的da/dN 与ΔK 呈线性关系，利用线性回归即可求出C 和m值。首先，对da/dN-ΔK 曲线数据进行拟合，母材及接头不同区域裂纹扩展速率的拟合曲线见图2。

图1 疲劳裂纹扩展速率试验试样形状尺寸Fig.1 Dimension of specimen for fatigue crack growth rate test

图2 合金母材及焊接接头各位置da/dN-ΔK 拟合曲线Fig.2 Fitting curves da/dN-ΔK of base metal and welded joint of superalloy

从图2a 可看出，对于GH625 合金da/dN-ΔK曲线，当应力强度因子范围ΔK≤38 MPa·m1/2时，疲劳裂纹扩展速率由慢到快的顺序依次为:焊缝中心、熔合线、热影响区、母材，即当ΔK 较小时，焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率最小，抗疲劳裂纹扩展能力最高，母材的疲劳裂纹扩展速率最大，抗疲劳裂纹扩展能力最差，其中，母材、熔合线和热影响区的裂纹扩展速率相近。当ΔK 范围较大(在38～48 MPa·m1/2范围)时，疲劳裂纹扩展速率由慢到快的顺序依次为:母材、热影响区、熔合线、焊缝中心，即当应力强度因子较大时，焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率最大，抗疲劳裂纹扩展能力最差，母材的裂纹扩展速率最小，抗疲劳裂纹扩展能力最高，熔合线和热影响区的裂纹扩展速率相近。

图2b 为GH536 高温合金da/dN 与ΔK 关系曲线，可看出，焊缝中心、熔合线、热影响区和母材的疲劳裂纹扩展速率曲线基本平行，说明随着ΔK的提高，母材与焊接接头各个位置的裂纹扩展速率以相似比例增大，而焊缝中心的裂纹扩展速率曲线的斜率较大，说明随着应力强度因子的提高，焊缝中心的裂纹扩展速率增长的速度较快。母材和熔合线的曲线基本重合，说明随着应力强度因子的变化，合金的母材和熔合线区域的抵抗裂纹扩展能力基本相同。在裂纹稳定扩展阶段(对应ΔK 的范围为20～48 MPa·m1/2)，热影响区的疲劳裂纹扩展速率最大，抗疲劳裂纹扩展能力最差，焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率最小，抗疲劳裂纹扩展能力最高，母材和熔合线的裂纹扩展速率相近。

对不同合金母材和焊接接头的每个区域测试的4 个结果进行处理，求得Paris 拟合函数，C 值和m 值见表1、表2。

表1 GH625 高温合金母材及焊接接头不同区域Paris 公式拟合结果Table 1 Fitting results of base metal and welded joint of GH625 superalloy with Paris equation

表2 GH536 高温合金母材及焊接接头不同区域Paris 公式拟合结果Table 2 Fitting results of base metal and welded joint of GH536 superalloy with Paris equation

由表1 可见，由各个区域求得的平均值来看，母材的C 值最大，焊缝中心的C 值最小;焊缝中心的m 值最大，母材的m 值最小。m 值代表斜率，若m 值大，则随着应力强度因子范围ΔK 的增加，裂纹扩展速率da/dN 变化大，可见，在较高ΔK 的作用下，焊缝抗裂纹扩展性能较差。由表2可见，由各个区域求得的平均值来看，母材的C值最大，焊缝中心的C 最小;焊缝中心的m 值最大，其次是热影响区的m 值稍大，母材的m 值最小。m 值大，随着应力强度因子范围ΔK 增加，裂纹扩展速率da/dN 变化大。

2.2 疲劳裂纹扩展断裂特征

采用扫描电子显微镜观察GH625 和GH536合金疲劳裂纹扩展速率的断口形貌。图3a 为GH625 高温合金母材疲劳裂纹扩展速率的宏观断口形貌，右端为母材的疲劳裂纹扩展中期微观形貌特征，断口整体较为平整。在裂纹扩展前期，试样以局部撕裂棱和类解理形貌为主，疲劳条带不明显，而随着应力强度因子幅的逐渐增加，疲劳裂纹扩展速率增加，母材试样断口上可见明显、较多的疲劳条带，如图3b 的疲劳裂纹扩展中期断口形貌所示。

图4a 为GH625 高温合金焊接接头焊缝中心的宏观断口形貌，右端为焊缝中心的疲劳裂纹扩展中期微观形貌特征。可见，焊缝中心断口表面起伏较大，随着应力强度因子幅的增加，其断口上并未见明显的疲劳条带，只有在局部区域才能观察到少量较浅的疲劳条带，断口主要以类解理和韧窝特征为主，如图4b 的疲劳裂纹扩展中期断口形貌所示。

图5a 为GH536 高温合金母材的疲劳裂纹扩展速率的宏观断口形貌，右端为母材的疲劳裂纹扩展中期微观形貌，宏观断口显示断面整体较为平整，可见明显的放射棱线特征和类解理刻面，随着应力强度因子幅的逐渐增加，疲劳裂纹扩展速率增加，母材试样断口上存在较多的疲劳条带，疲劳条带特征明显，如图5b 的疲劳裂纹扩展中期断口形貌所示。

图3 GH625 母材疲劳裂纹扩展速率试样断口形貌Fig.3 Appearance of fatigue fracture in the base metal of GH625 superalloy

图4 GH625 焊缝中心疲劳裂纹扩展速率试样断口形貌Fig.4 Appearance of fatigue fracture in the weld center zone of GH625 superalloy

图5 GH536 母材疲劳裂纹扩展速率试样断口形貌Fig.5 Appearance of fatigue fracture in the base metal of GH536 superalloy

图6a 为GH536 高温合金焊接接头焊缝中心的宏观断口形貌，从图中可看出，焊缝中心断口表面存在起伏，随着应力强度因子幅的增加，焊缝中心的裂纹扩展中期只有较少区域才能发现疲劳条带，其较短且分布不均匀，断口主要以类解理特征为主，如图6b 的疲劳裂纹扩展中期断口形貌所示。

当应力强度因子较大，疲劳裂纹扩展到中期时，通常考虑与材料韧性有关的常数m 值和断口的对应关系，当m 值较小时，疲劳断口扩展区的微观形貌主要以疲劳条带为主，而m 值较高的疲劳断口通常只有少量疲劳条带，一般是以沿晶、类解理和韧窝等微观形貌为主［8-9］。对于GH625 和GH536 高温合金，从以上试验结果和断口分析可看出，不同位置的m 值与观察到的断口特征是相符的:母材的m 值比焊缝的明显要低，并且母材处的疲劳区平坦、光滑且疲劳条带形貌较明显;焊缝中心的m 值较大，该位置的断面起伏较大，疲劳条带较少，主要以类解理特征为主。

图6 GH536 焊缝中心疲劳裂纹扩展速率试样断口形貌Fig.6 Appearance of fatigue fracture in the weld center zone of GH625 superalloy

高温合金的疲劳裂纹扩展速率受到外部因素和内部因素的影响。外部因素指试验或服役条件如温度、频率、应力比等，当外部条件相同时，合金的疲劳裂纹扩展速率主要受材料本身的影响［10］，高温合金的疲劳裂纹扩展速率与其他力学性能一样，都与其组织存在着密切的关联，因此，将高温合金焊件不同位置的裂纹扩展速率与其组织相关联，是了解其合金性能的必要途径。

一般认为，疲劳裂纹扩展速率随合金的晶粒尺寸的减小而加快［11］。通过试验分析［12-13］，GH625 高温合金焊接接头中母材晶粒较焊缝晶粒尺寸小，焊缝中心存在大量的粗大等轴晶，焊缝组织存在较多的δ 析出相，GH536 高温合金焊接接头中母材晶粒较焊缝晶粒尺寸小，焊缝中心存在大量的粗大等轴晶，焊缝组织和热影响区中存在较多的碳化物析出相。可见，对GH625 和GH536 合金来说，母材晶粒均较焊缝晶粒尺寸小，而以上试验分析结果显示两种合金母材在裂纹扩展中期的扩展速率比焊缝或热影响区慢。因此，对于GH625 和GH536 合金焊接部位来说，其裂纹扩展速率的快慢受焊缝和热影响区内部的析出物影响较大。

3 结论

1)室温下，ΔK 较小时(＜38 MPa·m1/2)，GH625 高温合金焊接接头疲劳裂纹扩展速率由慢到快的顺序依次为:焊缝中心、熔合线、热影响区、母材;ΔK 较大时(38～48 MPa·m1/2)，GH625合金疲劳裂纹扩展速率由慢到快的顺序依次为:母材、热影响区、熔合线、焊缝中心。焊缝中心的m 值最大，母材的m 值最小。

2)室温下ΔK 在20～48 MPa·m1/2范围内，GH536 高温合金焊接接头热影响区的疲劳裂纹扩展速率最大，抗疲劳裂纹扩展能力最差。焊缝中心的m 值最大，其次是热影响区的m 值稍大，母材的m 值最小。

3)GH625 和GH536 合金母材断口较平坦，随着应力强度因子幅的增加，断口可见明显疲劳条带;而焊缝中心断口表面起伏较大，断口特征主要以类解理为主。

4)GH625 和GH536 合金焊接部位裂纹扩展速率的快慢受焊缝或热影响区内部的析出物影响较大。

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