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Whittaker M T, Barnard N C, Cockings B J, et al. Approaches to fatigue lifing in a high strength polycrystalline nickel alloy[J]. International Journal of Fatigue, 2023, 166: 107239.
Whittaker, M. T., et al. "Approaches to fatigue lifing in a high strength polycrystalline nickel alloy." International Journal of Fatigue 166 (2023): 107239.
Whittaker, M. T., Barnard, N. C., Cockings, B. J., Duffy, E., Williams, S. J., & Hardy, M. C. (2023). Approaches to fatigue lifing in a high strength polycrystalline nickel alloy. International Journal of Fatigue, 166, 107239.
背景简介
为提高燃气轮机的可靠性和经济性，需要使用适用于极端恶劣环境的材料。在轮盘制造领域，镍基合金由于其高强度、耐损伤、耐高温能力和良好的耐腐蚀性能被广泛应用。使用粉末冶金工艺制造镍基合金时，易在材料微观结构中产生熔体异常，而微观结构中熔体异常的可能性对于推导合适的疲劳寿命预测具有重要影响。熔体异常和非金属夹杂物对各种镍基高温合金的机械性能的影响已得到充分证明，粉末冶金加工材料在疲劳载荷下对这些缺陷特别敏感。金属合金和潜在的陶瓷夹杂物之间的热膨胀系数的差异可能导致夹杂物从基体上剥离，甚至导致夹杂物开裂。本研究应用Walker应变方程研究温度和应力比对寿命参数的影响，并使用温度相关的方程预测缺口试样的疲劳行为。
成果介绍
（1）本研究使用的材料是粉末冶金制造的镍基高温合金RR1000。FG RR1000中的失效位置有明显区别（图1）。对于低周疲劳，失效由喷丸表面的裂纹萌生占主导。对于高周疲劳，裂纹通常萌生于次表面，位于被归类为非金属夹杂物的熔体异常处。唯一的例外是750℃时，表面裂纹萌生的寿命应该更长，但由于熔体异常位于试样表面，导致试样过早失效。
图1 Walker应变与失效周期曲线（m=0.72），次表面失效用红色圈出
（2）Walker应变方程是在一定温度范围下预测材料寿命的合适方法，并且已经有研究推导出了Walker应变方程的温度相关形式，该形式的Walker应变方程能在600–750℃范围内具有良好的预测能力。然而，Walker应变方程的连续性不受表面失效到次表面失效的过渡影响。较低温度（400℃）下的性能由于合金的一般行为变化与循环硬化的关系不大，应单独考虑（图2）。
图2 使用单指数（0.72）Walker应变方程预测所有温度下整个数据集的寿命
（3）使用Walker应变方法，利用缺口根部条件的Neuber假设，对缺口试样进行了预测，预测结果偏保守。该预测结果受缺口试样中裂纹萌生和扩展的相对贡献以及试样中体积蠕变开始的影响（图3）。
图3 使用Neuber近似对缺口试样（Kt=2.29和3.35）进行Walker应变预测，（a）650℃（b）700℃和（c）750℃
致谢
这项工作得到了英国技术战略委员会（SILOET II项目6-高温性能-压缩机和盘，TP110120）的支持。感谢劳斯莱斯公司的资助，Emily Duffy在EPSRC劳斯莱斯燃气轮机结构金属系统战略合作伙伴关系（EP/H500383/1 and EP/H022309/1）下获得了博士学位。感谢Mark Evans博士的贡献。本文通讯作者：Whittaker M T（Institute of Structural Materials, College of Engineering, Swansea University, Swansea SA1 8EN, United Kingdom）。
本期小编：费嘉文（整理）
杨逸璠（校对）
程 航（审核）
闵 琳（发布）
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