强度丨浙大张泽院士：燃气涡轮发动机MAR-M247镍基高温合金的高温断裂机制原位研究

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研究背景

镍基高温合金主要用于制造燃气涡轮发动机材料，被誉为“工业皇冠上的明珠”。之所以有此殊荣，是因为其严苛的服役条件，要在上千摄氏度的高温环境下承受高强度的复杂载荷并保持正常工作。

▲ 燃气轮机结构图

MAR-M247是一种镍基铸造高温合金，由于其优异的高温性能、抗氧化性以及良好的铸造性，被广泛用作工业燃气轮机的高压涡轮叶片，可在高温和高压下长期服役。MAR-M247合金中γ′相的体积分数高达62%，晶粒内的γ′强化相和在晶界析出的不连续的链状M23C6碳化物，保证了MAR-M247合金的高温强度。但Mar-M247合金的塑性整体不高，室温至1000 ℃范围内最大的延伸率不超过10%，在760 ℃的延伸率只有4.7%，不利于合金在高温下的服役。与其他镍基铸造高温合金相比，MAR-M247合金含有更高的W和Hf，而W和Hf均是MC碳化物的形成元素。有研究表明，脆性的MC型碳化物会成为裂纹源，并为裂纹的传播和扩展提供通道，从而影响其高温性能。

高温原位技术

材料的断裂失效通常是由微裂纹的萌生、扩展到最终失稳发展而来，研究微裂纹萌生、扩展机制是材料性能研究、材料寿命评估预测至关重要的环节。通过原位表征可以实时监测材料在高温、高载荷环境下的微观结构和裂纹行为，揭示材料的损伤机制和性能变化规律。例如，利用原位电镜技术结合高温拉伸实验，可以观察到裂纹的萌生、扩展过程，以及材料晶界和析出物的变化情况。这种研究方法能够为材料设计和工程应用提供重要的实验数据和理论支持，有助于改进合金的强度和塑性，提高其在高温环境下的性能稳定性。因此，原位表征技术对于深入理解镍基高温合金的断裂失效机制具有重要意义。

原位高温力学研究

浙江大学高温合金所赵新宝团队利用原位高温力学测试系统，在拉伸过程中原位观察镍基铸造高温合金MAR-M247合金在室温、400℃与760℃温度与应力双重作用下的微观组织演变过程以及裂纹的萌生与扩展，进而揭示其失效机制与微观结构之间的关系。原位测试结果表明，在室温到760℃范围内，MAR-M247合金的屈服强度与抗拉强度随温度的升高略有下降，拉伸塑性略有提高。室温原位拉伸过程中，并没有出现滑移带；400℃与760℃的原位拉伸，只在样品断口附近存在少量的滑移带。随拉伸温度的提高，合金的断裂机制并无明显变化，均表现为韧性穿晶断裂。合金的微裂纹主要来源于变形过程中碳化物的破裂，晶内与晶界都存在因碳化物破裂而形成的微裂纹。

▲ 室温原位拉伸过程中的组织变化（a-b）屈服后（c-d）塑性变形中（e-f）断裂前（g-h）断裂后

结果表明，裂纹主要起源于碳化物的开裂，晶内与晶界均存在因碳化物破裂形成的微裂纹，晶界上的裂纹既有沿着晶界扩展的，也有向晶粒内部扩展。室温原位拉伸过程中，没有观察到滑移带，在760℃拉伸时仅在断口附近观察到少量滑移带。

▲ 760℃原位拉伸过程中的组织变化（a-b）屈服后（c-d）塑性变形中（e-f）断裂前（g-h）断裂后

论文主要研究结论：

1) Mar-M247合金的拉伸塑性较低。室温原位拉伸过程中，没有观察到滑移带，在400和760℃原位拉伸时仅在断口附近观察到少量滑移带。随拉伸温度的升高，合金的塑性有所提高，颈缩更明显，垂直于拉伸方向的应变变大。

2) 位错与碳化物颗粒、晶界的相互作用是裂纹产生的原因。裂纹主要起源于碳化物的开裂，晶内与晶界均存在因碳化物破裂形成的微裂纹，晶界上的裂纹既有沿着晶界扩展的，也有向晶粒内部扩展的。

3) 从室温到760℃，合金原位拉伸均表现为穿晶断裂。随拉伸温度的升高，合金的屈强比有所降低。

4) 大量弥散分布的MC 型碳化物在拉伸过程中开裂形成微裂纹是Mar-M247 合金整体塑性较低的原因。

来源：两机动力先行

断裂铸造裂纹理论材料

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首次发布时间：2024-01-08

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