《Acta Materialia》无外载荷条件下热循环导致的高温合金失效机制

　　工程科学的进展常常为实际生产或使役条件下的材料破坏所推动。作为结构材料研究领域王冠上的明珠，高温合金往往被应用在极端复杂和严苛的工作环境中。虽然该类合金具有近乎极限的抗蠕变、抗氧化及抗腐蚀性能，人们也已对循环载荷下此类合金的高温疲劳失效有了一定的认识，但仍不能较为准确地预测实际应用中蠕变-疲劳-氧化共同导致的失效。此类问题的研究中，人们会经常遇到前所未见的、不可思议的失效模式。现有理论对疲劳裂纹扩展有较好的理解，但和很多疲劳问题一样，疲劳裂纹的萌生机制依然是个老大难的问题。针对疲劳裂纹的萌生，本研究提出了低周热冲击下钴基高温合金氧化层从均匀生长演化为局部“指状”形貌的机制，合理解释了无外载情况下钴基高温合金的失效现象。

　　近日，兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院曹睿教授团队与美国田纳西大学高雁飞教授（共同通讯作者）报道了一种无外加载荷情况下钴基高温合金热冲击疲劳失效机制的力学解释。相关成果以“Mysterious Failure in Load-Free Superalloys under Repeated Thermal Shocks”为题发表在Acta Materialia上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.002

　　这项工作是基于Co-Cr-W高温合金在等温和热循环条件下氧化行为的对比研究中提出的。如图1所示，等温氧化条件下合金表面形成氧化铬保护层（右图），经数十次热冲击后氧化铬发展为手指状侵入基体（左图）。实际使役过程中，这种现象常出现在涡轮盘或者其它远离叶片的部件上，这些位置所受外加载荷较小但温度变化剧烈，作者认为它们的失效和这些指状氧化铬的形成紧密相关。但是氧化铬的生长是如何和热循环关联在一起的呢？

图1热冲击氧化物形态与静态氧化物形态对比

　　作者对哈佛大学锁志刚院士提出的氧化-扩散-蠕变本构关系（该文命名为Stokes-Herring-Suo模型）进行了拓展，并对这种无外加载荷情况下指状氧化物的奇特生长方式进行了合理解释。如图2所示，氧化铬的生长需要铬从远场基体中扩散过来。铬扩散通量的散度不为零，所以一个任意体微元必然缩小。但是由于横向几何限制，该微元的横向缩小只能靠蠕变产生的横向伸长来弥补。前者是个volumetric process，而后者是个deviatoric process，并且二者的协调导致了横向应力的产生和纵向的压缩变形。模型的关键是该氧化应力的建立需要的时间靠蠕变率和弹性模量来控制。

图2氧化-扩散-蠕变协同作用下的应力

图3“指状”氧化物生长的边值问题与刚进入塑性变形时的σe/σY等值线图

　　在上述基础上，作者进一步分析了氧化层生长的稳定性问题。在一个均匀增厚的氧化层基底上，如果添加形貌扰动，比如局部的短小指状扰动，那么这些指状物沿深度方向生长与否取决于图2中氧化导致的应力大小?图3所示Shear lag model表明，这些指状物承受较大径向压缩，一旦塑性变形后氧化倾向于横向生长，即扰动被抑制。热冲击过程中，每个热循环时间较短，所以氧化应力的稳态值难以建立，从而这些指状物无法进入塑性状态，导致其倾向于径向生长。

　　综合上述研究，作者们对无外加载荷情况下的热疲劳失效机制进行了系统阐释，有助于进一步优化合金的设计并提升在极端热、力和腐蚀条件下的使役性能。

　　【作者简介】

　　温俊霞，兰州理工大学与美国田纳西大学联合培养博士。研究方向为钴基高温合金的热疲劳断裂机理。

　　曹睿，兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室和材料科学与工程学院教授、博士生导师。研究方向为新材料、异种材料的焊接性及其变形断裂行为。

　　高雁飞，美国田纳西大学材料科学及工程系教授。研究方向为固体力学、先进结构材料的变形和破坏机制、接触力学和摩擦学。

　　【致谢】

　　本研究得到了中国国家自然科学基金、兰州理工大学优秀学生出国（境）学习交流基金、省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室优秀研究生联合培养项目和美国国家科学基金会的资助。本研究获得了兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室、兰州理工大学材料科学与工程学院及田纳西大学材料科学及工程系的大力支持，在此一并表示感谢。