導(dǎo)讀▏渦輪盤(pán)的損壞部分通常發(fā)生在應(yīng)力集中和大塑性變形的位置，這是由于運(yùn)行中高溫和高循環(huán)應(yīng)力的疊加效應(yīng)造成的，失效形式大多為低周疲勞（LCF）斷裂。因此，研究發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)用Inconel 718高溫合金的LCF性能和失效損傷機(jī)理是提高發(fā)動(dòng)機(jī)安全性和可靠性的重要依據(jù)。

“3D Science Valley 白皮書(shū) 圖文解析

中科院沈陽(yáng)金屬所張哲峰等科研人員根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用情況，采用選擇性激光熔化（SLM）生產(chǎn)的Inconel 718在25、450和650°C下進(jìn)行低周疲勞（LCF）試驗(yàn)，重點(diǎn)研究溫度對(duì)疲勞性能的影響。討論了包括合金材料參數(shù)在內(nèi)的材料優(yōu)化策略。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.01.139

SLM Inconel 718樣品使用15-53μm的氣霧化粉末打印。分別選擇900 mm/s、250 W、100μm、40μm作為掃描速度、激光功率、兩個(gè)相鄰激光束之間的距離、粉末層厚度。在掃描前一層后，旋轉(zhuǎn)67°以消除各向異性。進(jìn)行熱處理以釋放殘余應(yīng)力并優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)。

圖1. LCF試樣幾何形狀（單位：mm）

不同方向的EBSD方向圖如圖2a-b所示。在平行于BD的平面上觀察到由大柱狀樹(shù)枝狀晶體包圍的細(xì)等軸晶體（圖2a）。同時(shí)，在垂直于BD的平面內(nèi)，觀察到由粗等軸晶體包圍的細(xì)等軸晶體（圖2b）。如圖2c所示，X射線衍射顯示，熱處理后存在γ基體、γ'、γ'強(qiáng)化相和δ相，這證明γ'和γ'是在熱處理過(guò)程中沉淀的。此外，SEM照片（圖2d）清楚地表明，沿晶界存在短棒狀δ相，晶粒內(nèi)存在針狀δ沉淀物。

圖2. 樣品表面（a）平行于BD的微觀結(jié)構(gòu)的EBSD映射；（b） 垂直于BD；（c） XRD衍射圖；（d） δ相的SEM圖像

圖3. SLM Inconel718在（a）25°C、（b）450°C和（C）650°C下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線；（d） 不同溫度下R與總應(yīng)變振幅的關(guān)系

總應(yīng)變振幅和壽命的變化趨勢(shì)如圖4a所示，25、450和650°C下塑性、彈性和總應(yīng)變振幅隨載荷的變化如圖4b-d所示。在相同的應(yīng)變振幅（0.4%、0.6%、0.8%）下，壽命最低出現(xiàn)在650°C，最高出現(xiàn)在25°C。在所有溫度下，彈性應(yīng)變振幅占大多數(shù)，并起主導(dǎo)作用。

圖4. （a） 總應(yīng)變振幅與失效逆轉(zhuǎn)次數(shù)之間的關(guān)系；在（a）25°C、（b）450°C和（C）650°C下，總應(yīng)變振幅、彈性應(yīng)變振幅和塑性應(yīng)變振幅與失效逆轉(zhuǎn)次數(shù)的關(guān)系

比較了SLM和鍛造Inconel 718合金在室溫下的LCF性能，結(jié)果如圖5a所示。在相同的總應(yīng)變幅度下，兩種材料的LCF壽命相似。一方面，SLM Inconel 718合金的LCF性能可能會(huì)受到RT時(shí)增材制造缺陷的影響。SLM Inconel 1718的斷裂表面存在未熔合缺陷，這在鍛造Inconel 718中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。然而，由于SLM Inconel 718合金的晶粒更細(xì)，其屈服強(qiáng)度更高。如圖5b所示，在相同的總應(yīng)變幅度下，由于較高的流動(dòng)應(yīng)力，SLM Inconel 718合金的塑性應(yīng)變與總應(yīng)變之比低于鍛造合金。與彈性應(yīng)變相比，塑性應(yīng)變對(duì)材料造成的損傷更大。因此，在總應(yīng)變相同的條件下，較低的塑性應(yīng)變比有利于提高疲勞壽命，這可以解釋為什么低周疲勞的最終性能與鍛造的性能相當(dāng)。如果優(yōu)化激光能量、掃描速度和其他參數(shù)以減少增材制造的缺陷，SLM Inconel 718有望在室溫下獲得比相同條件下鍛造材料更好的LCF性能。值得注意的是，在相同的應(yīng)力幅度下，SLM Inconel 718合金在小于105次循環(huán)的范圍內(nèi)表現(xiàn)出比鍛造合金更長(zhǎng)的疲勞壽命，如圖6所示。然而，隨著應(yīng)力幅值的減小和循環(huán)次數(shù)的增加，鍛造材料的疲勞壽命逐漸超過(guò)SLM合金（圖6）。

圖5. （a） SLM和鍛造Inconel 718應(yīng)變壽命數(shù)據(jù)的比較；（b） SLM和鍛造Inconel 718塑性應(yīng)變與總應(yīng)變之比的比較

圖6. SLM和鍛造Inconel 718應(yīng)力壽命數(shù)據(jù)的比較

SLM Inconel 718的疲勞斷口由裂紋成核（箭頭所示）、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂區(qū)域（以黃色虛線區(qū)分）組成。在室溫和450°C下，斷裂面存在多源。疲勞源類(lèi)型為圖7b中的小面和圖7c中RT時(shí)的侵入或擠壓裂紋，這也是鍛造Inconel 718合金的常見(jiàn)失效模式。在每次LCF加載過(guò)程中，樣品表面會(huì)形成一定量的擠出或侵入，擠出或侵入的量在數(shù)值上等于Burgers矢量。隨著隨后的疲勞載荷，應(yīng)力集中將在侵入位置形成，這可能是疲勞裂紋的萌生和疲勞源的發(fā)展。疲勞源類(lèi)型為圖7e中的AM缺陷（孔隙）和圖7f中450°C下的正常裂紋。在650°C的高溫下，在=0.4%的樣品中僅觀察到一個(gè)正常的表面裂紋疲勞源（圖8a-b）。其余部分表現(xiàn)出明顯的多源開(kāi)裂特征，沒(méi)有小面開(kāi)裂和增材制造缺陷開(kāi)裂，如圖8c-d所示。

圖7. 斷口照片：（a、b和c）/2=0.4%，Nf=38869次循環(huán)，25°c；（d、e和f）/2=0.4%，Nf=31891次循環(huán)，450°C

圖8. 650°C下的斷口照片：（a，b）=0.4%，=27147個(gè)周期；（c，d）=0.6%，=1876次循環(huán)

為了進(jìn)一步揭示疲勞行為，有必要了解Inconel718在不同溫度下的裂紋擴(kuò)展路徑，如圖9和圖10所示。在25°C下，樣品表面產(chǎn)生820μm的微裂紋，如圖9a-b所示。此外，圖9c中沿主裂紋擴(kuò)展路徑明顯缺乏熔合缺陷。EBSD下的裂紋表明，裂紋通過(guò)晶界和晶粒內(nèi)傳播，在圖9d中顯示出明顯的穿晶傳播特征。

圖9. 25°C下疲勞斷裂試樣的縱截面（=0.6%，=4962次循環(huán)）

圖10. 疲勞斷裂試樣在450°C（a-b，=0.6%，=3969次循環(huán)）和650°C（C-d，=0.6%，=2151次循環(huán)）下的縱截面

當(dāng)裂紋從附近通過(guò)時(shí)，缺陷可能會(huì)成為優(yōu)先的裂紋擴(kuò)展通道，導(dǎo)致疲勞壽命降低。在450°C時(shí)，在樣品表面觀察到微裂紋，如圖10a所示。裂紋還顯示出穿晶生長(zhǎng)的特征，如圖10b所示。當(dāng)溫度升高到650°C時(shí)，還觀察到樣品表面的小裂紋萌生和擴(kuò)展，如圖10c所示。裂紋的長(zhǎng)度約為810μm，表明表面上如此小的裂紋的萌生與溫度無(wú)關(guān)，可能是由于低周加載過(guò)程中施加的較大軸向應(yīng)變?cè)斐傻摹Ｔ诹鸭y擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋還穿透晶界并在晶粒內(nèi)部傳播，如圖10d所示，顯示出明顯的穿晶傳播特征。

不同溫度下的疲勞損傷行為是由變形機(jī)制引起的。圖11是SLM Inconel 718合金在不同溫度下LCF后斷裂的TEM圖像。25°C下0.4%的單滑移（圖11a）表明，Inconel 718合金在低應(yīng)變幅度下的變形模式為平面滑移。相比之下，隨著溫度的升高，滑移現(xiàn)象變得更加深刻。位錯(cuò)在多滑移系統(tǒng)中同時(shí)移動(dòng)，并顯示出多滑移變形特征，在圖11c和e中形成了更厚、更明顯的滑移變形帶，疲勞裂紋容易傳播，這也可以在高周疲勞中找到。對(duì)于Inconel 718合金，變形過(guò)程中出現(xiàn)的滑移帶主要由高密度糾纏位錯(cuò)組成，交叉滑移是由強(qiáng)化相γ'和γ”阻礙的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力集中引起的。溫度在鎳基高溫合金中始終起著至關(guān)重要的作用。之前的研究表明，高溫合金在室溫下的主要變形模式是平面滑動(dòng)。Inconel 718在室溫下出現(xiàn)滑移帶是疲勞裂紋萌生的主要方式之一。在室溫和中溫下，裂紋主要沿著{111}晶面?zhèn)鞑ィ瑹o(wú)論它們?cè)谀睦锩壬?。研究人員表明，疲勞裂紋沿著γ通道傳播，避免了在高溫下切割γ′相。，因此疲勞裂紋垂直于應(yīng)力軸。隨著應(yīng)變幅度從0.4%增加到0.8%，位錯(cuò)胞主導(dǎo)了SLM Inconel 718合金的特性，如圖11b和d所示。Inconel 718在較低應(yīng)變幅度下的塑性變形相對(duì)較小，位錯(cuò)累積程度不足以達(dá)到應(yīng)力集中閾值，因此疲勞壽命較長(zhǎng)。在較高的應(yīng)變幅度下，位錯(cuò)和γ'之間的相互作用增強(qiáng)，位錯(cuò)更有可能穿透γ'相。隨著位錯(cuò)堆積得越來(lái)越嚴(yán)重，應(yīng)力集中的閾值很快就會(huì)達(dá)到，合金會(huì)迅速開(kāi)裂，因此疲勞壽命很短。在γ基體中觀察到阻礙位錯(cuò)滑移的δ相的存在，這容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和微裂紋，從而導(dǎo)致Inconel 718合金的高溫失效。此外，大尺寸的δ相會(huì)降低循環(huán)阻力，裂紋很容易沿著該相擴(kuò)展，從而降低合金的LCF壽命。綜上所述，當(dāng)溫度較低時(shí)，位錯(cuò)主要以平面滑移的形式移動(dòng)。然而，隨著溫度的升高，位錯(cuò)可以離開(kāi)原始滑移面并以交叉滑移的形式移動(dòng)，從而與其他位錯(cuò)和沉淀相發(fā)生更大的相互作用。因此，LCF變形的機(jī)制是由位錯(cuò)在不同溫度下的運(yùn)動(dòng)和變化決定的。

圖11. 25°C下LCF失效樣品的TEM觀察： /2 of 0.4%(a) and 0.8%(b); 450°C: /2 of 0.4% (c) and 0.8%(d); 650°C: /2 of 0.4%(e) and 0.8%(f)

基于循環(huán)應(yīng)變的LCF Coffin-Manson關(guān)系通常用于預(yù)測(cè)疲勞壽命。然而，循環(huán)應(yīng)力也是影響疲勞行為的重要因素。根據(jù)圖12，使用Coffin-Manson模型評(píng)估了SLM Inconel 718的疲勞壽命。研究發(fā)現(xiàn)，在25°C時(shí)觀察到最差的疲勞壽命，在450°C時(shí)在0.4%的應(yīng)變幅度下觀察到最佳的疲勞壽命。在0.8%的應(yīng)變幅度下，25°C的LCF壽命最高，650°C的壽命最低。上述結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致，表明Coffin-Manson模型存在一些局限性，不適合本研究。滯后能量比單獨(dú)的應(yīng)力或應(yīng)變更穩(wěn)定，更適合評(píng)估疲勞性能。能量損傷累積模型涉及塑性應(yīng)變和應(yīng)力，在處理各種復(fù)雜的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

圖12. Coffin-Manson中塑性應(yīng)變振幅循環(huán)與破壞的關(guān)系

基于滯后能量模型的半衰期滯后環(huán)如圖13所示。隨著應(yīng)變幅度的增加，半衰期滯后環(huán)的大小逐漸增加（圖13a-c），這表明應(yīng)變幅度越高，在不同溫度下對(duì)材料造成的疲勞損傷就越嚴(yán)重。如圖13d-f所示，當(dāng)總應(yīng)變振幅相同時(shí)，不同溫度下的磁滯回線面積大致相同，表明導(dǎo)致材料疲勞損傷的能量主要由應(yīng)變振幅決定。在相同的應(yīng)變幅度下，隨著彈性模量隨溫度的升高而降低，應(yīng)力幅度如圖13e-f所示呈下降趨勢(shì)。

圖13. （a-c）25°c、450°c和650°c下的半衰期磁滯回線；（d-f）應(yīng)變幅度為0.4%、0.6%和0.8%時(shí)的半衰期磁滯回線

圖14. （a-c）不同溫度下的循環(huán)滯后能量曲線；（d） 滯后能量與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

SLM Inconel 718在不同溫度下的滯后能量和失效循環(huán)次數(shù)的數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖14d所示。擬合結(jié)果表明，SLM Inconel 718的抗疲勞損傷性能隨著溫度的升高而逐漸降低，表明高溫環(huán)境下LCF性能降低的主要原因是其抗疲勞損傷能力的降低。W0和β分別通過(guò)滯回能量模型如圖15a和b所示。值得注意的是，W0和T在25-650°C范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，β和T之間的關(guān)系也是如此。

圖15. 磁滯回線參數(shù)和相應(yīng)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型之間的關(guān)系：（a）W0和溫度之間的線性關(guān)系；（b） β與溫度的線性關(guān)系

圖16. LPF的預(yù)測(cè)結(jié)果

圖17. 基于Ostergren模型的SLM Inconel 718合金拉伸滯后能與疲勞壽命的關(guān)系

從圖18可以看出，當(dāng)Ostergren模型應(yīng)用于SLM Inconel 718的壽命預(yù)測(cè)時(shí)，當(dāng)總應(yīng)變幅度為0.6%（450°C）時(shí)，預(yù)測(cè)壽命在3倍的誤差范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)精度較低。與Ostergren模型相比，滯回能量模型的預(yù)測(cè)壽命在兩倍的誤差帶內(nèi)，因此更適合SLM Inconel 718低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。

圖18. Ostergren模型的預(yù)測(cè)結(jié)果

W0和β可視為溫度引起的損傷。如前所述，這兩個(gè)參數(shù)W0和β對(duì)于評(píng)估抗疲勞性至關(guān)重要，兩者的增加都是有價(jià)值的。此外，W0也可以理解為材料適應(yīng)缺陷的能力，與疲勞延性系數(shù)和疲勞強(qiáng)度系數(shù)的乘積相關(guān)。因此，同時(shí)提高材料的強(qiáng)度和塑性對(duì)于通過(guò)增加W0來(lái)提高材料的LCF性能至關(guān)重要。此外，位錯(cuò)引起的循環(huán)軟化（圖3d）在高溫下比RT更明顯，基體的強(qiáng)化能力較弱，這也是450和650°C下的疲勞壽命比RT顯著降低的原因（圖15a）。位錯(cuò)在450和650°C下的交叉滑移不利于基體強(qiáng)度的提高，對(duì)W0有負(fù)面影響。

SLM Inconel 718疲勞裂紋成核、擴(kuò)展和斷裂的演變基本上是由于微觀損傷機(jī)制造成的。在LCF過(guò)程中，β表現(xiàn)出抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力。當(dāng)然，在β較高的情況下，抗疲勞開(kāi)裂和膨脹能力更優(yōu)異。AM工藝過(guò)程中形成的缺陷會(huì)降低Inconel 718合金的疲勞裂紋擴(kuò)展阻力。如上所述，疲勞斷裂呈現(xiàn)多源裂紋，包括由增材制造缺陷引起的裂紋源（圖19），這些缺陷對(duì)裂紋萌生階段的疲勞壽命有負(fù)面影響。當(dāng)加載過(guò)程中基體發(fā)生多滑移時(shí)，滑移帶中位錯(cuò)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，裂紋在此處成核、傳播并發(fā)展為疲勞源。由于交叉滑移過(guò)程中的不同路徑，每次循環(huán)加載后，表面都會(huì)形成一定量的侵入或擠壓，這也是表面疲勞裂紋萌生的原因。

圖19. 25、450、650°C下的故障機(jī)制示意圖

如果合理調(diào)整激光能量、掃描速度和其他工藝參數(shù)以減少缺陷，SLM Inconel 718合金的LCF性能有望更好。基于25-650°C下的損傷機(jī)理關(guān)系（疲勞裂紋成核和擴(kuò)展）和模型參數(shù)（W0和β），可以發(fā)現(xiàn)，在高溫下提高強(qiáng)度和塑性以改善W0，在室溫下提高裂紋萌生和擴(kuò)展阻力β是提高SLM Inconel 718在整個(gè)使用溫度下的LCF性能的有效方法。

研究了SLM Inconel 718合金在室溫和高溫下的LCF行為，得出以下結(jié)論：

1.在相同溫度下，SLM Inconel 718的應(yīng)力逐漸降低，除了應(yīng)變?yōu)?.4%時(shí)應(yīng)力變化不明顯。高溫下的循環(huán)軟化現(xiàn)象比低溫下更明顯，這與位錯(cuò)演化有關(guān)。

2.多源開(kāi)裂特性在所有測(cè)試溫度下都是常見(jiàn)的。疲勞裂紋起源于25°C和450°C下AM缺陷、小小面和由侵入和擠壓引起的表面裂紋。AM缺陷對(duì)性能有負(fù)面影響。在650°C時(shí)，疲勞源類(lèi)型均為表面裂紋。疲勞裂紋在不同溫度下表現(xiàn)出明顯的穿晶斷裂特征。SLM Inconel 718合金的LCF性能隨著溫度的升高而降低，這是由于其抗疲勞損傷性能的下降。

3.當(dāng)受到相同的總應(yīng)變幅度和溫度時(shí)，SLM和鍛造Inconel 718的LCF壽命相似。

4.建立了滯后能量模型以及疲勞壽命、滯后能量和溫度之間的關(guān)系，有效地評(píng)估和預(yù)測(cè)了SLM Inconel 718的LCF壽命。根據(jù)不同溫度下的損傷機(jī)理關(guān)系和模型參數(shù)，增加W0和β可能有利于提高LCF在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)的壽命。

▏通訊作者簡(jiǎn)介

張哲峰，研究員、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室主任，材料失效分析中心主任。主要從事金屬材料力學(xué)行為、強(qiáng)韌化機(jī)制、疲勞損傷與壽命預(yù)測(cè)、斷裂機(jī)理與強(qiáng)度理論等方面研究工作。

簡(jiǎn)介來(lái)源：http://www.imr.cas.cn/yjtd/zzfteam/tdzc_zzf/zzzg_zzf/201708/t20170815_4847120.html

龐建超，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所副研究員。研究方向：高強(qiáng)金屬材料的疲勞與斷裂（高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)銅合金、微納米材料）；共晶鑄造材料的性能及優(yōu)化（鋁硅合金、蠕墨/球墨鑄鐵材料）；關(guān)鍵構(gòu)件服役壽命預(yù)測(cè)方法（電機(jī)轉(zhuǎn)子、內(nèi)燃機(jī)的缸蓋和活塞）。

簡(jiǎn)介來(lái)源：http://www.imr.cas.cn/yjtd/zzfteam/tdzc_zzf/zzzg_zzf/201609/t20160922_4667039.html

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