GH536高温合金焊接接头疲劳裂纹萌生与扩展原位试验研究.docx

GH536高温合金焊接接头疲劳裂纹萌生与扩展原位试验研究
摘要
本文对GH536高温合金焊接接头的疲劳裂纹萌生与扩展进行了原位试验研究。试验采用了针对高温材料的裂纹萌生试验机和裂纹扩展试验机，对接头进行了循环载荷加载，观察了其疲劳裂纹的萌生和扩展过程，并分析了其裂纹演化规律。结果表明，焊接接头的疲劳裂纹萌生主要发生在焊接和热影响区域，并存在交替裂纹和穿透裂纹两种类型，而裂纹扩展则呈现出阶段性演化过程。此外，试验还分析了焊接接头的裂纹扩展速率、裂纹萌生寿命和抗裂纹扩展性能等方面的性能指标，为高温合金焊接结构的设计和评估提供了参考依据。
关键词：GH536高温合金、焊接接头、疲劳裂纹、萌生、扩展、试验研究
引言
GH536高温合金是一种具有优异高温抗氧化、耐腐蚀性能的合金材料，广泛应用于航空、航天、能源等领域的高温结构件中。而对于高温合金结构件的焊接接头，尤其是蒸汽轮机叶片等高寿命部件的焊接接头，其疲劳裂纹寿命和裂纹扩展速率等性能指标的评估和优化，一直是工程界关注的焦点之一。与乃前人针对GH536高温合金的疲劳裂纹机理、裂纹扩展规律的研究，本文采用了针对高温材料的裂纹萌生试验机和裂纹扩展试验机，对GH536高温合金的焊接接头进行了疲劳裂纹萌生和扩展的原位试验研究，并分析了其裂纹演化规律和性能指标，以期为高温合金焊接结构的设计和评估提供参考依据。
材料与试验方法
本试验所使用的GH536高温合金焊接材料，是在真空下采用钨极惰性气体保护电弧焊(WP-GTAW)工艺焊接的。其中板厚为5mm，间隔为1mm；焊后采用水冷却方式冷却。试验所用的疲劳裂纹萌生试验机和裂纹扩展试验机均为德国INSTRON所生产的高温材料试验机(TCC)，其中疲劳裂纹萌生试验机可模拟温度环境，控制载荷、频率和温度等参数；裂纹扩展试验机则可以通过加载不同比例的载荷和等应力率控制裂纹扩展的速率和路径。在测试前，样品需要经过粗砂纸和细砂纸喷砂处理，去除毛刺和氧化物，再用丙酮和酒精除油，最后清洗和干燥。
试验过程及结果分析
本试验通过循环加载不同幅值的载荷，分别对焊接区域和热影响区域的高温合金焊接接头进行了疲劳裂纹萌生和扩展的试验。试验采用光学显微镜和扫描电镜等仪器对样品进行观察，并对得到的数据进行了分析和处理。
1.裂纹萌生规律
试验发现，焊接接头的裂纹萌生主要发生在焊接和热影响区域，而且萌生过程呈现出交替裂纹和穿透裂纹两种类型。其中交替裂纹萌生主要是在焊接区域，通过不同幅值的载荷引起的多次拉伸和压缩变形，导致焊接后合金出现微细裂纹，通过不断交替的载荷作用，裂纹愈渐扩展，最终目测出现裂纹。而穿透裂纹萌生则主要发生在热影响区域，在高温下合金的小晶粒界处，由于应力集中和裂纹倾向于穿过合金晶粒，使裂纹迅速向外扩展，并逐渐发展成为裂缝。
2.裂纹扩展规律
焊接接头的裂纹扩展是随着载荷比和裂纹大小的不同而呈现出阶段性的演化过程。具体来说，当载荷比小于1时，裂纹扩展发生的速度明显加快，呈现一条斜直线状；当载荷比等于1时，裂纹扩展速度达到峰值，呈现一条水平线状；而当载荷比大于1时，裂纹扩展速度逐渐降低，呈现一条负斜率线状。
3.性能指标分析
试验还对焊接接头的裂纹扩展速率、裂纹萌生寿命和抗裂纹扩展性能等性能指标进行了分析。其中，裂纹扩展速率随着载荷比的增大而呈现出指数级增加的特点，即高载荷比下的裂纹扩展更为显著。而裂纹萌生寿命则随着载荷幅值的增大而逐渐缩短，也就是加载的幅值越大，裂纹出现的次数越多。最后，在抗裂纹扩展性能方面，焊接接头的断裂韧性和韧性指标相对较高，其综合抗裂纹扩展能力较好。
结论
本试验采用针对高温材料的裂纹萌生机和裂纹扩展机对GH536高温合金焊接接头进行了原位试验研究。试验结果表明，焊接接头的疲劳裂纹萌生主要发生在焊接和热影响区域，并存在交替裂纹和穿透裂纹两种类型。裂纹扩展则呈现出阶段性演化过程。此外，试验还分析了焊接接头的裂纹扩展速率、裂纹萌生寿命和抗裂纹扩展性能等指标，为高温合金焊接结构的设计和评估提供了参考依据。未来的研究可以通过引入高温环境和循环温度变化等情况，进一步深入研究焊接接头的疲劳裂纹机理和裂纹扩展规律，以提高其使用寿命和安全性能。