长沙理工&湖南大学:航空发动机机匣开裂?Gleeble热压缩试验还原合金服役前后组织演变

采用某航天院生产的涡轮发动机机匣。K4169合金坯料试样及服役试样取自机匣实际服役工况下的易开裂区域，见图1。发动机实际工况下易开裂部位对应的K4169镍基高温合金主要化学成分（质量分数，下同）见表1。

采用Gleeble热模拟试验机对K4169合金试样进行热压缩试验，见图2。采用循环加载模式，共进行10次完整的温度-压力-时间循环，单次循环时长为30 min，总时长为5 h，其中单次循环温度-载荷-时间曲线见图3。每次循环过程为：加热至设定温度（最高为700 ℃）并保温，采用方波加载以恒应变速率为0.1 s^-1施加轴向压缩载荷，加载至最大载荷63.4 kN并保载3 min，试验结束后冷却至室温。

为探究高温交变载荷对K4169合金相演变的影响，对坯料试样及服役试样进行XRD测试，结果见图4。可以看出，两种试样的特征衍射峰较明显，其中坯料试样的第三特征峰强度较弱，可能是试样被测面与标准试样托板不平行导致的，但服役试样未出现新衍射峰。经高温载荷服役后的K4169合金相比于坯料试样并未生成新相，依然主要由γ′相（Ni₃Al）、δ相（Ni₃Nb）、Laves相（Fe₂Nb）、γ″相（Ni₃Nb）等组成。通过Jade软件对衍射峰积分计算半定量相含量（质量分数，下同），见表2。可以看出，服役试样中δ相含量从坯料的0%增至8.7%，γ′相从9.8%降至8.5%，γ″/δ比例降至0.47，表明高温载荷促使γ″相转变为δ相。

图5为K4169高温合金服役前后的金相组织。可以看出，在服役试样中，针状δ相与Laves相在晶界区域表现出共析特征。大量针状δ相密集析出在晶界及其邻近区域，针状δ相多与块状/岛状Laves相空间共存。在坯料试样中，Laves相主要以孤立小块状均匀分布在晶粒内部，未观察到δ相或δ相与Laves相共存。

为分析服役前后晶粒尺寸及晶界特征，对K4169合金进行EBSD扫描测试，结果见图6。可以看出，坯料试样晶粒尺寸分布均匀，晶粒内部存在高密度孪晶，服役试样晶粒尺寸分布显著分化，局部区域出现大晶粒包嵌细小晶粒的结构，这表明高温交变载荷诱发晶界迁移与部分动态再结晶。图7为K4169合金的EBSD分析图和晶粒尺寸-面积分布图。分析可知，服役试样的小尺寸晶粒面积分数几乎为0，而在800~1 000 μm及超大尺寸区域形成了明显的峰值。此外，大晶粒面积分数由15%升至42%，这表明服役过程驱动晶粒粗化，而晶粒粗化与晶界迁移、重组密切相关。服役后大尺寸晶粒占比剧增，反映出大角度晶界发生了显著的迁移与合并。由于高角度晶界具有较高的界面能和较大的迁移驱动力，在热-力耦合的复杂环境下，更易发生迁移，通过吞噬小晶粒实现自身的粗化生长，表明晶界迁移导致的晶粒粗化（伴随大角度晶界比例上升）为δ-Laves相析出提供了形核载体与元素扩散通道。

图8和图9分别为K4169合金的SEM形貌及元素面扫描。可以看出，K4169合金析出强化相γ′、γ″元素的组成与形态均保持一致。图10为坯料试样与服役试样中沿晶界及晶内析出的δ相与Laves相的高倍SEM形貌对比，EDS点扫描结果见表3。分析可知，Laves相中Nb的富集程度显著高于δ相，且服役试样中针状δ相与块状Laves相的析出密度明显高于坯料试样，二者多伴随分布于晶界区域，此现象与金相腐蚀观察结果相吻合。元素偏析分析表明，与服役试样相比，坯料试样中Nb、Mo、Fe元素的偏析程度有所减轻，高温服役过程中，Nb向晶界迁移，促进了Laves相的形成并富集Nb，导致枝晶干贫化Nb元素，同时驱动γ″→δ相变，使δ相形貌从无到有并呈针状析出。Mo含量的升高促使枝晶间Laves相析出增多，同时抑制δ相的析出。Laves相作为脆性有害相，通过加剧晶界脆化及界面应力集中，显著降低了材料的抗拉强度与伸长率，并成为裂纹萌生的位置。

利用光学显微镜及扫描电镜对热压缩试样加载位置进行组织观察，结果见图11。可以发现，K4169合金在高温及应力作用下，于晶界区域产生裂纹，并伴随Laves+δ（针状）相的共析现象。相较于晶粒内部，晶界处析出的第二相主要表现为Laves+δ相的共析结构。晶体变形及开裂的裂纹位置可见其紧邻δ-Laves共析相的集中沉淀区域，揭示了δ-Laves共析相易诱导邻近晶粒及晶界发生变形和开裂。

对热压缩试样开裂处进行SEM扫描以及EDS元素标定，进一步分析开裂处析出相的元素成分。图12为热压缩试样裂纹处3个区域的组织扫描图，表4为裂纹处3个区域析出相EDS的元素含量。观察两种Laves相，形貌特征为长岛状或块状结构，与坯料试样及服役后试样中Laves相形态变化一致。EDS元素分析表明，单一Laves相Nb含量较高，显著高于基体平衡溶解度，说明高温载荷下Nb的剧烈非平衡偏析；δ相中Ni含量与共生相中δ相含量基本一致，共生相中Laves相Nb含量介于δ相与单一Laves相之间，揭示了Nb在晶界迁移过程中的扩散路径，驱动δ-Laves共生结构的形成。共生相-Laves相中Mo含量显著高于单一Laves相，说明Mo富集于共生界面。

研究发现，在高温载荷的影响下，原本在基体中弥散分布的点状Laves相，由于Nb等元素的迁移作用，趋向于在晶界处聚集。同时，针状δ相的析出取代了原有的γ″相，导致δ相与Laves相在晶界处形成共生结构。图13为K4169合金析出相演变过程。可以看出，这种结构的形成导致Nb、Ni等元素在有害相中的大量富集，进而显著影响了合金在高温下的弹塑性行为，增加了材料发生裂纹的倾向。综上，K4169合金在高温交变载荷下的裂纹形成机制可归因于晶界δ-Laves共生相引起的局部脆化和应力集中效应。

（1）δ-Laves共生相主导晶界脆化。高温服役后，K4169合金晶界区域大量析出针状δ相与块状Laves相，二者呈现空间伴生特征形成δ-Laves共生相，而原始坯料中仅存在孤立分布于晶内的Laves相，且无δ相析出。

（2）Nb元素在高温载荷下的晶界偏析主导脆性相析出。高温交变载荷诱发Nb元素向晶界偏析，促进Laves相聚集并诱导δ相伴生析出。Mo元素富集则抑制δ相形成，但加剧枝晶间Laves相析出，导致元素分布失衡。

（3）高温载荷下应变诱导晶界迁移，加剧失效风险。服役后大角度晶界比例显著增加，晶粒尺寸分布分化，局部区域出现大晶粒包裹细晶的再结晶特征，晶界迁移为δ-Laves共生相提供形核载体，并加速Nb扩散。

（4）热压缩试验验证，裂纹优先萌生于δ-Laves共生相密集区。共生相引发局部应力集中，破坏晶界连续性，富Nb相消耗基体固溶强化元素，降低晶界抗蠕变能力，导致开裂。