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热机械疲劳行为研究表明，逆时针钻石（CCD）加载下CM247LC超合金的疲劳寿命显著低于顺时针钻石（CD）条件，主要归因于氧化损伤的加剧。实验考察了573K?1143K温度范围内两种应变幅度（±0.5%和±0.8%）下的应力响应与微观结构演变，发现CD条件在低应变时呈现应力稳定，而CCD条件因Lomer-Cottrell锁的形成导致软化更显著。电子背散射衍射（EBSD）显示CCD条件应变局部化更严重，扫描电镜（SEM）断口分析证实氧化损伤在CCD下更为突出。
兰吉特·库马尔（Ranjeet Kumar）| 罗山·库马尔·贾（Roshan Kumar Jha）| 巴吉亚拉杰·贾亚巴拉恩（Bhagyaraj Jayabalan）| 苏布拉塔·穆克吉（Subrata Mukherjee）| 埃德·哈里·克里希纳（Ede Hari Krishna）| 迪比延杜·查特吉（Dibyendu Chatterjee）| 卡蒂克·普拉萨德（Kartik Prasad）| 苏曼德拉·曼达尔（Sumantra Mandal）
印度理工学院卡尔阿格普尔分校（Indian Institute of Technology Kharagpur）冶金与材料工程系，卡尔阿格普尔-721302，印度
摘要
本研究探讨了定向凝固CM247LC超合金在顺时针钻石（CD）和逆时针钻石（CCD）条件下的热机械疲劳（TMF）行为。为此，在573 K至1143 K的温度范围内，进行了两种应变幅度（±0.5%和±0.8%）下的TMF实验。实验结果表明，CCD条件下的疲劳寿命比CD条件下的短，这主要是由于氧化疲劳引起的损伤加剧。在应变幅度为±0.5%时，由于位错与γ′沉淀物之间的相互作用导致硬化，以及γ′沉淀物被滑移带剪切导致软化，合金在两种情况下均表现出稳定的应力响应。而在应变幅度为±0.8%时，由于CD条件下软化现象占主导，合金发生轻微软化；而在CCD条件下则由于洛默-科特雷尔锁（Lomer-Cottrell locks）的形成导致应力稳定。电子背散射衍射分析显示，在变形初期，碳化物附近的应变局部化程度更高。局部平均错位角的平均值表明，在相同应变幅度下，CCD条件下的应变局部化更为明显。断口分析表明，由于高温下的拉应力作用，CCD条件下的氧化损伤更为严重。
引言
基于镍的定向凝固（DS）CM247LC超合金因其改进的碳化物微观结构、碳化物稳定性以及对晶界裂纹的优异抗性，被广泛认为是制造涡轮叶片和叶片的优质材料[1][2][3]。然而，在涡轮发动机启动和停止等运行过程中，应力和温度会动态变化，导致这些关键部件内部产生不均匀的热应力和机械应力，从而引发热机械疲劳（TMF）失效[4][5]。TMF载荷与等温疲劳（IF）显著不同，因为它同时涉及应力和温度的变化。这种复杂的相互作用使得TMF载荷比IF更为严重，因为疲劳、蠕变和氧化的协同效应会加速裂纹的萌生和扩展，尤其是在高温下[6][7]。尽管TMF载荷复杂，但它更准确地反映了实际工作条件。因此，TMF被视为这些关键部件的主要失效模式之一[7]。根据应力和温度波形的变化，TMF可以分为多种类型[8]。同相（IP）和反相（OP）是两种典型的TMF模式，分别常见于涡轮发动机的启动和停止过程中[9]。然而，在涡轮发动机的其他常规运行状态下（例如在不同功率设置下运行），还会遇到其他形式的TMF[8]。例如，顺时针钻石（CD）和逆时针钻石（CCD）TMF条件可以模拟由于厚度不一致导致的加热和冷却速率变化而引起的瞬态效应[10]。因此，研究这些关键部件在不同TMF条件下的性能对于提高其抗疲劳能力至关重要。
近年来，大量研究致力于阐明各种材料（包括钛基合金[11][12][13][14]、镍基超合金[15][16][17]、钢[18][19][20][21]等）的TMF行为。这些研究表明，多种因素影响TMF寿命，如停留时间[6]、相位角[15]、温度梯度[16]、应变率[20]等[22]。先前的研究表明，在IP和OP TMF情况下，平均应力起着关键作用[23][24][25]。Dao等人[23]得出结论，在IP条件下TMF寿命高于OP条件，因为会形成负平均应力。然而，在CD和CCD条件下，平均应力最小，并且在这两种载荷条件下没有显著变化[8][13][14]。尽管如此，CD和CCD条件下的TMF寿命仍有显著差异[8][13][14]。有报道称，在Timetal 834合金中，高温区间（723K–873K）内CCD-TMF的破坏性大于CD-TMF，主要是由于前者条件下的氧化损伤更严重[13]。相反，在中等温度区间（573 K–723 K）内，同一合金在CD-TMF下的寿命低于CCD-TMF，这是由于前者条件下的拉伸载荷循环导致的损伤累积更为明显[14]。在镍基超合金中也发现了CD和CCD条件下TMF寿命的类似差异[26][27][28]。例如，Kraft等人[26]观察到，在应变幅度为±0.4%时，镍基CMSX-6超合金在CD条件下的TMF寿命低于CCD条件。相反，Pahlavanyali等人[27]发现，在相同应变幅度下，多晶Nimonic 90超合金在CCD条件下的疲劳寿命显著降低。然而，CD和CCD条件下TMF寿命差异的潜在损伤机制尚不清楚[28][29]。Guth和Lang[28]研究了低应变幅度（±0.3%至±0.5%）下多晶Nimonic 90的TMF行为，并得出结论，CCD-TMF下疲劳性能降低可归因于晶间失效的占主导。在另一项研究中，Guth等人[29]发现，在低应变幅度（±0.3%至±0.6%）下，Mar-M247LC超合金在CD和CCD条件下的疲劳寿命相似。他们的研究结果表明，在这些条件下，TMF寿命受疲劳引起的损伤支配，蠕变或氧化引起的损伤机制不起作用[29]。尽管这些研究试图理解CD和CCD条件下的潜在损伤机制，但微观结构演变尚未得到明确解释。理解微观结构演变非常重要，因为它决定了裂纹的萌生和扩展行为，以及材料在不同TMF条件下的响应。此外，大多数研究仅限于低应变幅度。通常，低应变幅度代表正常工作条件，而高应变幅度代表可能过载的情况，特别是在启动和停止过程中[30]。因此，研究材料在高应变幅度下的性能并理解其潜在损伤机制对于模拟实际工作条件至关重要。
尽管CM247LC超合金被广泛用于制造航空发动机的热部件[1][2][3]，但对其TMF性能的研究仍然不足。只有少数研究揭示了CM247LC超合金的TMF损伤机制[22][31][32][33]。然而，这些研究主要集中在IP和OP条件下。我们之前对CM247LC超合金的研究表明，由于蠕变、疲劳和氧化引起的损伤的协同作用，该合金在IP条件下的疲劳性能比OP条件下降得更严重[33]。然而，这种合金在CD和CCD条件下的TMF响应尚未得到探索，需要进一步研究以阐明其在各种TMF条件下的性能。因此，本研究旨在探讨DS CM247LC超合金在CD和CCD条件下的微观结构演变、循环应力响应和TMF损伤机制。为此，首先研究了573 K至1143 K范围内两种不同应变幅度（±0.5%和±0.8%）下的CD和CCD-TMF行为。为了揭示断裂表面下的损伤演变，使用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）技术研究了两种TMF条件下的断裂表面附近的微观结构演变。此外，还使用透射电子显微镜（TEM）技术阐明了所有条件下的亚结构演变。最后，使用SEM技术对断裂表面进行了表征，以了解两种TMF条件下的失效机制。
研究合金的成分和热处理
本研究选择了DS CM247LC超合金进行实验研究，其化学成分详见表1。在TMF测试之前，按照以下热处理程序对合金进行了处理：1505 K/2 h/GQ+1533 K/2 h/GQ（GQ：气体淬火）的热处理，以及1353 K/4 h/GQ+1144 K/20 h/GQ的老化处理。此后将这种热处理过的合金称为“HT”。
TMF测试方法
在进行TMF测试之前，制备了多个圆柱形试样
初始微观结构
图3(a)显示了HT试样的逆极图（IPF）图。显然，晶粒呈现出柱状形态，这是DS超合金的特征。图3(b)显示了同一区域的局部平均错位角（LAM）图，表明晶粒内的颜色梯度可以忽略不计。通常，LAM图用于评估微观结构中的残余塑性变形程度，其中较高的LAM值表示较大的残余应变[35]。
L-C锁对TMF行为的影响
众所周知，位错能（SFs）会导致堆垛序列的破坏，并由完美位错的解离产生[64]。在γ′相中，SFs是由a/3<112>或a/6<112>部分位错的滑移运动产生的[65]。在本研究中，特别是在应变幅度为±0.8%的CCD条件下（见图12(d)），产生了SFs。早期研究表明，在镍基超合金中，SFs在中间温度（873 K–1073 K）下容易形成[64][66]。
结论
本研究考察了DS CM247LC超合金在顺时针钻石（CD）和逆时针钻石（CCD）条件下的TMF行为，应变幅度分别为±0.5%和±0.8%，温度范围为573 K至1143 K。为此，详细研究了两种条件下的循环应力响应、微观结构演变、变形行为以及疲劳寿命的变化。此外，还关注了在CCD条件下经过约10个循环后试样的早期微观结构变化。
CRediT作者贡献声明
巴吉亚拉杰·贾亚巴拉恩（Bhagyaraj Jayabalan）：验证、方法论、研究。
罗山·库马尔·贾（Roshan Kumar Jha）：验证、方法论、研究。
兰吉特·库马尔（Ranjeet Kumar）：撰写初稿、方法论、研究、正式分析、概念化。
苏曼德拉·曼达尔（Sumantra Mandal）：撰写、审稿与编辑、验证、资源管理、项目协调、概念化。
卡蒂克·普拉萨德（Kartik Prasad）：撰写、审稿与编辑、验证、资源管理、概念化。
迪比延杜·查特吉（Dibyendu Chatterjee）：验证、资源管理、研究。
数据可用性声明
数据将应要求提供。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了航空研究与发展委员会（AR&DB）和国防研究与发展组织（DRDO）（授权号1987）的支持。
