Effect of surface defects on the high cycle fatigue properties of a single crystal superalloy
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摘要: 在定向凝固炉中采用螺旋选晶法制备了一种单晶高温合金试棒，标准热处理后加工成旋转弯曲高周疲劳试样，试样中间位置用电火花加工成不同尺寸的孔洞以模拟叶片的表面缺陷，在980 ℃、应力分别为400 MPa和500 MPa条件下，研究表面孔洞对合金高周疲劳性能的影响，用扫描电镜分析了疲劳试样的断口形貌.结果表明，与标准试样相比，带有孔洞合金的高周疲劳寿命都有不同程度的降低，随着表面孔洞尺寸增大，合金的疲劳寿命逐渐减小.在合金试样的高周疲劳断口上可见疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区.相对于标准试样，带有孔洞试样疲劳源除了试样表面，还有表面孔洞，所有试样都为多源疲劳断裂.与高温下拉伸持久的断裂机制不同，高温下旋转弯曲高周疲劳为类解理断裂.Abstract: A nickel-based single crystal superalloy was casted using spiral crystal selection in the directional solidification furnace. The standard cylindrical specimens for rotary bending high cycle fatigue test were machined after standard heat treatment. The void with different size was made by an electro-spark machine in the middle of the fatigue sample to simulate blade surface defects. The effect of surface void on high fatigue property of the alloy at 980 ℃ with stress 400 MPa and 500 MPa was investigated respectively. SEM was used to examine the fracture surface of fatigue specimens. The results show that the fatigue lives of the sample with surface void decreased to some extent compared with standard sample and it decreased with the rising size of surface void. SEM observations show that the crack initiation site, the fatigue crack propagation area and the rapid fatigue fracture area can be observed. Compared with standard sample, the fatigue cracks of the sample with surface void initiated at void including surface. All the samples were multi-source fatigue fracture. The rotary bending high cycle fatigue at high temperature all exhibited qusi-cleavage fracture which is different from tensile and stress rupture at same temperature.
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Keywords:
- single crystal superalloy /
- surface defects /
- surface void /
- high cycle fatigue
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0 引言
高纯纳米级氧化铝水性胶体是制备激光晶体、精细陶瓷和优质催化剂的前驱物[1]，笔者利用由醇铝水解得到的高纯纳米氧化铝水分散液为研究对象，选取了合成宝石常用的几种矿化剂，用电导法分析矿化剂对纳米氧化铝水分散液介电性能的影响。旨在通过实验，一是了解高纯纳米级氧化铝水性胶体的一些电化学行为；二是考察矿化剂对其电导率的影响，为探究人工合成宝石新原料做些尝试。
1 实验部分
1.1 主要仪器和试剂
DDS-307型电导率仪（上海精密科学仪器有限公司），GKCR114可控硅控温水浴锅，SC202型电热恒温干燥箱，自制电导池等。
碳酸氢钠，碳酸钠，碳酸钾，碳酸氢钾，溴化钾，试剂均为分析纯。超纯水（电导率为0.63 μs/cm）。高纯纳米氧化铝水分散液。
1.2 实验方法
(1) 纳米氧化铝水分散液的合成。以醇铝为原料, 在一定条件下进行水解缩聚反应得到。外观特征为乳白色胶体，稳定性好，粒径分布均匀。
(2) 纳米氧化铝水分散液的升温水热处理。将装有纳米氧化铝水分散（原液）的聚四氟乙烯高压密封罐置于恒定温度的烘箱内，在自生压力下水热处理一定时间。
(3) 电导率的测定。每一样品的电导率在298 K或303 K恒温水浴中保温30 min后测定，平行测定3次，取其平均值。所用方法原理参照GB l576—2001。
2 实验结果与讨论
2.1 升温处理对纳米氧化铝水分散液电导率的影响
一定浓度的纳米氧化铝水分散（原液）经110、120、130、140、150 ℃水热处理24 h后得到5个样品，在30 ℃下测其电导率，其结果见图 1。
在升温处理实验中，发现样品的粘度随处理温度的升高而逐渐变小，透明度逐渐增大，样品的这种粘度逐渐变小和胶团的解缔变小，使带电颗粒运动时的阻力减弱，体系的导电性能得到增强，所以在所做实验的温度范围内，产生图 1中样品电导率随处理温度的升高而呈线形增大的结果。另外，从原液和150 ℃样品得到的扫描电镜图(图 2，图 3)与X射线衍射图（图 4，图 5）对照显示：分散体系的胶粒增大，结晶趋于完善。
2.2 不同质量分数纳米氧化铝水分散液的电导率变化情况
在25 ℃下（电导率测定温度除特别说明外均相同），测定不同质量分数试样的电导率值，其结果见图 6。
由图 6可以看出，在实验较低浓度范围内分散液电导率随浓度都呈良好的线性关系，这与电解质的溶液导电理论很相似，即溶液的电导率与溶液中的离子浓度成比例，但在实验较高浓度范围内分散液电导率随浓度所呈现的线性斜率发生了改变。
2.3 不同矿化剂浓度对纳米氧化铝水分散液的影响
从查阅的人工宝石合成文献中，了解到所采用的矿化剂有碳酸钾、碳酸钠、溴化钾、碳酸氢钾和碳酸氢钠等[2-3]，本实验选用了碳酸钠、碳酸氢钾和溴化钾3种，比较它们对纳米氧化铝水分散液电导率的影响，同时为了考察矿化剂浓度对纳米氧化铝水分散液电导率的影响，每种矿化剂又配成4~5个浓度系列，其结果见图 7~图 9。
由图 7~图 9可以看出，各种矿化剂的加入都使分散液的电导率有不同程度的增大，随着加入矿化剂浓度的增加(在一定实验范围内)，分散液的电导率呈梯度增加。矿化剂对分散液电导率的增大影响，是因为矿化剂属于完全离解的电解质溶液，随着浓度增加，可导电成分也成比例增加，故电导率随矿化剂浓度的增加呈梯度增加。
2.4 温度对纳米氧化铝水分散液电导率的影响
以一定质量分数的纳米氧化铝水分散液为原样，按不同种类矿化剂配制成一个系列试样。将这些试样放入可控硅控温水浴锅，在30、35、40、50、60、70 ℃下恒温30 min后，分别测它们的电导率，见图 10。
从图 10中可以看出两点变化，一是加入相同浓度矿化剂试样的电导率随着温度的升高而升高，温度越高上升趋势越大；二是不同的矿化剂（浓度相等）在相同的温度下对体系电导率的影响不同，并表现出一定的规律性。电导率在这两方面的变化，可分别解释为：电导率受温度变化的影响，是因为在加入矿化剂的纳米氧化铝体系中，可导电的物质主要是胶体颗粒和无机盐离子，随温度的升高，导电颗粒和离子的运动动能增大，电导率增大；电导率因不同矿化剂变化的影响，与离子的本性有关，如正、负离子价数和离子半径大小。在水溶液中，离子都是水化的，在电荷相同的情况下，离子半径愈小水化程度(即离子的水化数)愈大，水化后的离子半径就愈大，因此在溶液中运动的阻力也增大，所以在离子电迁移速率上钾离子要大于钠离子，含钾的矿化剂对体系电导率的增大能力要大些；碳酸根离子强度要大于碳酸氢根，所以碱金属碳酸盐矿化剂对体系电导率的增大能力要比碳酸氢盐大些。
3 结语
（1）纳米氧化铝水性胶体在低粒子浓度范围内的电导率表现与低分子的电解质溶液相似，能用已有的电解质溶液理论来解释其导电性能。
（2）分散液经升温水热处理后，体系的电导率增大，在实验温度范围内，电导率与处理的温度基本呈线形关系。
（3）在分散液中加入矿化剂能大幅度增大体系的电导率，不同的矿化剂对体系的电导率影响不同，增大能力次序为：碳酸钾>碳酸钠>溴化钾>碳酸氢钾>碳酸氢钠。
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图 3 不同条件下合金高周疲劳断口纵向形貌
Fig 3. Longitudinal morphologies of high cycle fatigue fracture of the alloy under different condition
表 1 试验合金的化学成分/（质量分数，%）
Table 1 Chemical compositions of the experimental alloy/(mass fraction %)
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表 2 带有不同孔洞尺寸合金的高周疲劳寿命
Table 2 High cycle fatigue life of the alloy with different size of void
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