高溫合金的塑性良好、高溫性能和抗腐蝕性能優異，在航空航天、核工程和石油化工等領域得到了普遍應用[1,2]。GH4742合金是在700℃以上的溫度服役的渦輪盤用鎳基變形高溫合金[3,4]，其γ′強化相的含量較高，且兼具粉末冶金高溫合金的高服役溫度和變形高溫合金的高強度低成本的優點[5,6,7,8]。這類渦輪盤用高溫合金服役在高溫、高壓和周期性載荷作用環境中，必須具有足夠高的熱強性和較低的疲勞裂紋擴展速率[9,10]。疲勞裂紋擴展速率是預測渦輪盤用高溫合金壽命的重要參數之一，也是損傷容限設計的必要指標之一[11,12]。因此，必須有效控制疲勞裂紋擴展速率以確保航空發動機渦輪盤安全服役。目前對在高溫服役的GH4742合金（渦輪盤）在含有初始裂紋承受反復加載過程中的安全性和可靠性的研究，鮮少報道[13,14]。鑒于此，本文探究GH4742合金在服役溫度下時效后組織的演化行為以及組織演化對疲勞裂紋擴展行為的影響及其作用機理。

1 實驗方法

實驗用GH4742合金的化學成分（質量分數，%）：C 0.053，Cr 14.890，Ti 2.460，Al 2.640， Nb 2.540，Mo 5.040，Co 10.360，Mn 0.005，Fe 0.180，Si 0.022，La 0.008，Ce 0.010，B 0.003，S 0.002，P 0.005，Ni bal。采用真空感應爐和真空自耗爐的雙真空工藝熔煉合金，將其均勻化處理后鍛造成渦輪盤件。將合金在1080℃固溶處理8 h后空冷，而后再在780℃時效處理16 h后空冷。這種固溶時效處理過程，稱為標準熱處理（Standard heat treatment，SHT）。將SHT合金在箱式電阻爐中進行高溫時效處理，時效溫度為750℃，時效時間分別為100 h（A合金）、500 h（B合金）和1000 h（C合金），時效處理后將合金空冷。

沿渦輪盤R-C方向截取750℃時效GH4742合金拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示。在室溫下利用電子萬能試驗機進行拉伸試驗，使用3根平行試樣，應變速率為10-3 s-1。

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圖2   GH4742合金疲勞裂紋擴展速率CT試樣的尺寸

沿在750℃時效處理后的GH4742合金渦輪盤R-C方向截取疲勞裂紋擴展速率CT試樣，其尺寸如圖2所示，試樣寬度W=60 mm，厚度B=12 mm，缺口長度a0=12 mm。疲勞裂紋擴展速率試驗在室溫下利用MTS810液壓伺服疲勞試驗機完成，加載波型為正弦波，加載頻率為10 Hz，應力比為0.1，裂紋長度采用柔度法測量。采用逐級降K方式預制2 mm裂紋后，使用控制應力強度因子K梯度方法進行試驗。采用七點遞增多項式法處理試驗數據[15]。

圖2   GH4742合金疲勞裂紋擴展速率CT試樣的尺寸

使用XHB-3000布氏硬度計測量合金的硬度。用JSM-7800F型場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察合金析出相形貌。用Ultra plus場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察疲勞裂紋擴展路徑和斷口形貌。

2 結果和討論

2.1 GH4742合金時效處理后的顯微組織

圖3給出了GH4742合金時效處理后γ′相的SEM形貌。從圖3a可見，在標準熱處理后的GH4742合金中析出三種不同形態和尺寸的γ′相，分別為方形或不規則形狀一次γ′相（直徑約1~3 μm）、花瓣狀或類枝晶狀二次γ′相（直徑約600~900 nm）和球形三次γ′相（直徑約20~30 nm）。

圖3   GH4742合金標準熱處理和750℃時效處理后γ′相的SEM形貌

GH4742合金中的三種γ′相是在鍛造及標準熱處理過程中析出的。在合金的鍛造和空冷過程中γ′相從基體中析出并長大，形成尺寸較大且形狀不規則的一次γ′相。在1080℃固溶處理過程中，由于固溶溫度未達到γ′相完全溶解溫度（1100℃），尺寸較大的一次γ′相未全部回溶[16]；同時，γ′相在γ/γ′相界面處形核并長大，進而形成了花瓣狀或類枝晶狀的二次γ′相。而在780℃時效處理過程中γ′相形核過冷度較大，數量增多；但是該相的長大速率較低，使三次γ′相的尺寸較小。

隨著時效處理時間的延長（圖3b、c、d），合金中的一次γ′相略有長大，邊界趨于圓滑化，出現分裂、界面朝某個方向凸起和自分解的失穩現象；二次γ′相邊界圓滑化，沿花瓣狀界面分裂，分裂程度明顯增大；三次γ′相逐漸回溶于基體或聚集長大成圓角方形γ′相。對三種γ′相的能譜分析結果表明，三種γ′相的化學成分相近，Al、Ti、Nb含量較高，并含有少量Cr、Co、Nb和Mo等元素。

圖4給出了GH4742合金標準熱處理后MC型碳化物SEM形貌，可見MC型碳化物主要呈漢字狀或有規則的塊狀且尺寸較大。在時效過程中，MC型碳化物尺寸和形態未見顯著變化。

圖4   GH4742合金標準熱處理后MC型碳化物的SEM形貌

2.2 疲勞裂紋的擴展速率

GH4742合金750℃時效處理后疲勞裂紋擴展速率曲線，如圖5所示。隨著時效時間的延長，合金疲勞裂紋的擴展速率呈增加趨勢。疲勞裂紋擴展速率曲線分為近門檻區，Paris區和快速擴展區三個階段。應力強度因子范圍ΔK較低時，隨著ΔK的增大，A合金的da/dN增加速度小于SHT合金的。對Paris區曲線用Paris公式線性擬合而得到Paris常數（系數C和指數m）。Paris公式da/dN=C（ΔK）m列于表1。隨著時效時間的延長C值稍有降低，m值略有升高，但是數值沒有明顯的變化。

圖5   750℃時效GH4742合金疲勞裂紋的擴展速率曲線

隨時效時間的延長，時效后GH4742合金的疲勞裂紋擴展速率呈增加趨勢，即抵抗裂紋擴展能力降低。

近門檻區是合金疲勞裂紋擴展起始階段，裂紋擴展速率對組織較為敏感。近門檻區的疲勞裂紋擴展路徑SEM形貌特征，如圖6所示。尺寸較大的一次γ′相和二次γ′相中Ti、Al、Nb含量較高，其硬度及強度較高，裂紋難切過這樣的γ′相擴展。隨著時效時間的延長，γ′相尺寸越大對裂紋擴展的阻力越大，γ′相周圍塞積位錯的數量增加。位錯塞積至一定程度使γ′相與基體沿相界面分離，為裂紋擴展提供優先通道。主裂紋以繞過一次γ′相和二次γ′相擴展的方式為主，斷口呈現韌窩形貌特征[17]。隨著時效時間的延長，一次γ′相和二次γ′相邊界圓滑化程度提高，圓滑γ′相對裂紋擴展阻力降低，減小裂紋擴展吸收功，導致裂紋擴展速率增加，裂紋擴展抗力降低。

圖6   750℃時效GH4742合金近門檻區疲勞裂紋擴展路徑的SEM形貌

750℃時效GH4742合金的拉伸性能和硬度值，列于表2。隨著時效時間的延長合金的屈服強度和抗拉強度均呈先升高后降低趨勢，A合金的屈服強度和抗拉強度值最高。合金的硬度變化趨勢與強度的變化相同。合金時效100 h后三次γ′相長大到一定尺寸，合金屈服強度達到峰值[18]。隨著時效時間的延長三次γ′相持續長大，一次和二次γ′相的裂化程度提高，屈服強度降低。ΔK較低時，隨著裂紋的繼續擴展三次γ′相對A合金強化效果最佳，疲勞裂紋擴展抗力增加，疲勞裂紋擴展速率降低，因此在ΔK較低區域A合金裂紋擴展速率隨著ΔK增長的速度低于SHT合金。

以上結果表明，750℃時效GH4742合金近門檻區的裂紋擴展速率受到一次和二次γ′相的邊界圓滑化和三次γ′相尺寸的綜合影響。

隨著時效時間的延長三種γ′相的協同作用使強度高的合金在裂紋初期擴展速率隨ΔK增長較平緩，裂紋擴展很快進入第二階段，因此強度高合金裂紋擴展曲線近門檻區與Paris區之間沒有明顯的界限。

圖7給出了SHT合金和C合金Paris區和快速擴展區疲勞裂紋擴展路徑SEM形貌。由圖7可見，在Paris區和快速擴展區主裂紋也以繞過一次γ′相和二次γ′相的擴展方式為主。在Paris區和快速擴展區裂紋尖端應力集中程度增加，主裂紋周圍分支出二次裂紋以釋放尖端應力。ΔK越大，二次裂紋數量越多。在快速擴展區SHT合金二次裂紋切過一次和二次γ′相，γ′相受周圍位錯塞積的剪切力而自身開裂，裂紋以切過機制擴展，降低裂紋擴展消耗能量，一次和二次γ′相對裂紋擴展的阻礙作用減弱。隨著時效時間的延長C合金的Paris區和快速擴展區二次裂紋均可切過一次和二次γ′相，C合金Paris區裂紋擴展抗力低于SHT合金Paris區。這是Paris區裂紋擴展速率隨時效時間延長而增加的原因之一。由此可見，750℃時效GH4742合金Paris區和快速擴展區疲勞裂紋擴展速率主要受應力強度因子范圍ΔK的影響，裂紋以切過機制擴展而降低了組織對疲勞裂紋擴展速率影響。

圖7   750℃時效GH4742合金疲勞裂紋擴展路徑的SEM形貌

圖8給出了750℃時效GH4742合金疲勞裂紋擴展斷口的表面粗糙度。由圖8可見，隨著時效時間的延長疲勞斷口表面粗糙度降低，表明疲勞裂紋擴展路徑曲折程度降低，組織對裂紋擴展的抗力降低，疲勞裂紋的擴展速率增加。圖9給出了750℃時效GH4742合金疲勞裂紋擴展斷口的SEM形貌特征。由圖9可見，在合金近門檻區的疲勞斷口中有較多的疲勞臺階。其原因是，主裂紋繞一次γ′相或二次γ′相擴展時轉向阻力更低的晶體學平面，從而在斷口形成凹凸起伏有序的疲勞臺階。這將提高斷口的粗糙程度，降低裂紋擴展速率。隨著時效時間的延長合金近門檻區斷口的疲勞臺階數量減少，斷口起伏程度減小，粗糙度降低，裂紋擴展速率提高。同時發現，在合金近門檻區斷口存在韌窩，因為主裂紋沿著基體與一次γ′相或二次γ′相開裂平面擴展，在斷口一側保留γ′相，在另一側形成γ′相形狀，呈現韌窩形貌。在Paris區和快速擴展區斷口出現大量的平行疲勞輝紋，疲勞輝紋間距與對應區域一次循環擴展量相當，表明此階段疲勞裂紋擴展符合塑性鈍化機制[18,19,20]。疲勞輝紋數量隨著ΔK的增大而增多。對于相同的ΔK，隨著時效時間的延長斷口疲勞輝紋寬度變寬，間距增大，表明裂紋擴展速率提高。Paris區和快速擴展區的ΔK較大，裂紋尖端加載應力明顯增加，MC型碳化物碎裂，主裂紋或二次裂紋均可穿過MC型碳化物。碎裂MC型碳化物為裂紋的擴展提供有利途徑。

圖7   750℃時效GH4742合金疲勞裂紋擴展路徑的SEM形貌

圖9   750℃時效GH4742合金近門檻區、Paris區和快速擴展區裂紋擴展斷口的形貌

3 結論

（1） GH4742合金在750℃時效過程中析出方形或不規則形狀一次γ′相，花瓣狀或類枝晶狀二次γ′相和球形三次γ′相。隨著時效時間的延長合金中塊狀一次γ′相進一步長大且邊界圓滑化，二次γ′相沿花瓣狀界面分裂，三次γ′相回溶基體中或聚集長大成圓角方形γ′相。

（2） GH4742合金疲勞裂紋的擴展速率隨著時效時間的延長呈提高趨勢，主裂紋以繞過一次和二次γ′相的方式擴展。近門檻區疲勞裂紋的擴展速率對組織較為敏感，一次和二次γ′相邊界的圓滑化使疲勞裂紋的擴展速率提高；Paris區和快速擴展區內的裂紋可切過機制擴展，從而減弱組織對疲勞裂紋擴展速率影響。

（3） GH4742在合金750℃時效后三次γ′相適當粗化可提高合金的強度和ΔK較低區域裂紋擴展的抗力，降低疲勞裂紋的擴展速率。