热等静压处理对 GH4169 合金高温抗疲劳性能的影响
铸造GH4169高温合金具有高温服役寿命长、铸造性能好、不需热处理和相对低的成本等优点，主要用于制造飞行器、舰艇和工业用燃气轮机的涡轮增压器。但在铸造GH4169高温合金中，容易出现晶粒尺寸大并且铸件包含气孔、疏松等缺陷。疲劳寿命较为离散，尤其是在高周疲劳区(HCF)[1]。这显然影响该合金在涡轮增压器中的应用。目前有许多方法可以减小铸造缺陷，但都不能将其完全消除。通过热等静压(HIP)技术可以改善GH4169合金的蠕变和疲劳性能。HIP可以提高材料在蠕变和疲劳条件下强度的同时缩小蠕变性能的离散。
1、实验方法
疲劳测试试样从直径为20mm长度为100mm的铸棒上切割制得。试样制备主要有3点考虑，从铸造技术的角度，采用相同批次铸件。所有棒料通过X射线无损探伤检测，铸件中缺陷尺寸小于该检测方法的分辨极限0.5mm。试样如图1所示，标距长度为35mm，标距直径为5mm。试样经机加工和精磨，表面粗糙度Ra=0.4。热等静压(HIP)试样共制备25个。经机加工的试样在1000个大气压下1160℃加热3h。冷却速率为10℃/min，在Ar保护气氛下冷却至900℃后在空气下继续冷却至室温。
循环判定系数疲劳测试通过100kN谐振测试系统Amsler10HFP誖1478控制载荷在800℃下测试铸造和HIP试样在HCF区域疲劳性能。疲劳测试试样分为两组：平均应力0MPa和平均拉伸应力300MPa。在测试起始阶段，平均负载保持在0MPa，在设定温度800℃保温2h。然后开始平均应力0MPa对称应力测试。在平均拉伸应力300MPa测试时，在几秒内平均负载施加。在几百次负载循环达到满载振幅，加载频率为115Hz。试样加热在电阻炉中进行，测试时间内试样标距长度上温度误差为±1℃，标距中心部分温度梯度小于3℃/cm。
通过极值统计软件分析铸造缺陷尺寸及其分布。通过光学显微镜观察GH4169高温合金中铸造缺陷。金相试样在轴向截面和横截面制备，尺寸分别为5mm×20mm和直径为5mm。共分析了25个不同位置界面，面积S0=1.83mm2。
2、实验结果
图2所示为800℃铸造试样HCF疲劳寿命S-N曲线。对称负载与300MPa拉伸平均应力循环数据一同给出。可以看出S-N数据较为离散，其中对称疲劳负载数据离散更为明显。箭头表示出局试样。与对称疲劳负载相比，拉伸平均应力的疲劳负载试样S-N曲线向低应力偏移。对于104次循环试样偏移接近100MPa，并且随循环次数增加偏移略有降低。通过断口的形貌观察可以看出所有情况下断裂均起始于大地铸造缺陷，如图3。箭头表示鱼眼状裂纹的边界。
