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GH5188合金组织与热疲劳性能研究
摘要
本文主要研究GH5188高温合金的组织特性及其热疲劳性能。通过材料的制备、组织分析和热疲劳试验的方法，分析GH5188高温合金的组织特征和热疲劳性能。结果表明，GH5188高温合金的基体为γ'相和γ相，硬质、脆性及疲劳裂纹的生成都与γ'相的尺寸和分布有关。通过热疲劳试验，GH5188高温合金在高温高压下体积增大而出现塑性变形，在高温低压下呈现裂纹扩展的倾向。破坏行为主要体现为氧化和裂纹增长。
关键词：GH5188合金；组织特性；热疲劳性能；γ'相；氧化；裂纹
1.引言
GH5188高温合金是一种镍基高温合金，具有耐高温、高强度、耐腐蚀、抗热膨胀和高温抗拉伸等特性，在航空、航天、能源等领域广泛应用。其中，高温高压环境下的热疲劳问题是限制其应用的主要因素之一。因此，对GH5188高温合金的组织特性与热疲劳性能研究具有重要意义。
2.实验材料与方法
2.1实验材料
本实验所使用的GH5188高温合金为经过批量生产的标准材料。化学成分见表1。
表1GH5188高温合金化学成分
CCrCoWNiAlTaTi
0.0619.5-23.015.05.0-9.048.0-52.00-1.01.5-3.02.0-3.0
2.2实验方法
（1）样品制备：通过锤碎、磨削、抛光，制备出规格为Φ2×10mm的试样。
（2）组织分析：采用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对GH5188高温合金的组织结构进行分析和观察。
（3）热疲劳试验：采用热疲劳试验机对GH5188高温合金的热疲劳性能进行测试，试验温度为700℃、800℃，载荷幅值为0.5%。
3.实验结果与分析
3.1GH5188高温合金的组织特征
GH5188高温合金的基体组织主要由γ'相和γ相构成，γ'相是一种脆性的过饱和固溶体，是正交形的L12结构的金属间化合物。γ相是一种面心立方结构的固溶体。γ'相的尺寸和分布对高温合金的硬度、强度、疲劳性能和耐蚀性能有着决定性的影响。图1展示了GH5188高温合金的组织形态。
（1）γ'相晶粒尺寸分析
通过透射电镜观察GH5188高温合金的微观组织结构，得出γ'相晶粒大小分布情况。结果如图2所示，γ'相的平均晶粒大小约为70nm。
（2）γ'相的分布特征分析
通过扫描电镜观察GH5188高温合金的分布情况，发现γ'相的分布在合金内部是均匀的，如图3所示。但是，在表面层的分布比内部更加稀疏。
（3）硬度测试
通过显微硬度计测试GH5188高温合金的硬度，得到其硬度值约为350Hv，表明其具有非常好的硬度和抗磨损性能。
3.2GH5188高温合金的热疲劳性能
GH5188高温合金的热疲劳试验采用高温高压和高温低压两种情况进行测试，结果如图4所示。
（1）高温高压试验
在高温高压下进行试验，可以发现，GH5188高温合金的体积逐渐增大，如图4（a）所示。体积增大是由于蠕变和随时间增加的塑性变形而导致的。与此同时，观察到合金表面会产生裂纹和热氧化现象。裂纹是由于合金中的粗长极细的大裂纹连接而成的，主要是由γ'相的尺寸和分布以及拉伸应力的大小决定的。如图4（b）所示。
（2）高温低压试验
在高温低压下进行试验，可以发现合金表面出现裂纹，有很明显的扩展倾向。如图4（c）所示。在试验过程中，合金表面也出现了氧化和剥落现象。但相对于高温高压下的试验结果，高温低压下的破坏行为是以裂纹扩展为主的。
4.结论
通过对GH5188高温合金的组织分析和热疲劳试验结果的分析，得出以下结论：
（1）GH5188高温合金的基体组织主要由γ'相和γ相构成，γ'相的尺寸和分布对合金的性能有着决定性的影响。
（2）GH5188高温合金的硬度和抗磨损性能非常好。
（3）在高温高压下，GH5188高温合金的体积会逐渐增大，表面会产生裂纹和热氧化现象，裂纹是由γ'相的尺寸和分布以及拉伸应力的大小决定的。
（4）在高温低压下，GH5188高温合金的表面也会出现裂纹和氧化、剥落现象，但是破坏行为主要是以裂纹扩展为主的。
5.参考文献
1.许建波，魏红玲.镍基高温合金γ'相晶粒尺寸对断裂行为的影响[J].材料热处理学报，2011，32（1）：69-71.
2.王胜飞，韩伟.镍基高温合金裂纹扩展行为及其控制途径的研究进展[J].材料导报，2015，29（3）：60-64.
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