Haynes 230合金TIG焊接接头的高温疲劳性能与缺口敏感性研究

《Crystals》：Study on High-Temperature Fatigue Properties and Notch Sensitivity of Haynes 230 Alloy TIG-Welded Joints

　　

研究人员采用光滑和缺口试样（K_t = 3），在850–950 °C下研究了TIG焊接Haynes 230合金的高温高周疲劳行为。高温和缺口效应均显著降低疲劳性能。随着温度升高，热激活的裂纹萌生与扩展加速，导致S–N曲线下移。缺口试样由于应力集中引起多源裂纹萌生、分散的扩展区和碎片化的瞬断区，其疲劳寿命显著缩短。该合金在试验温度范围内表现出较低的缺口敏感性（notch sensitivity），在900 °C时最低。研究人员利用温度修正系数exp[P × ()]建立了统一的疲劳寿命预测模型，该模型具有较高的拟合精度。缺口试样的M-G曲线（Monkman-Grant关系曲线）向下、向左移动，揭示了缺口对蠕变-疲劳交互作用（creep–fatigue interaction）的加剧效应。断口分析表明，随温度升高，光滑试样呈现扩大瞬断区和退化疲劳条带（striations），而缺口试样呈现多源萌生以及疲劳条带与细小韧窝的复合形貌，与宏观力学行为一致。这项工作为850–950 °C范围内TIG焊接Haynes 230接头提供了对比性实验数据和机理导向的认识；所提出的温度修正模型在研究的试验窗口内有效，可为部件性能分析提供参考。

论文解读：Haynes 230合金TIG焊接接头的高温疲劳性能与缺口敏感性研究

一、研究背景与目的

Haynes 230合金是一种固溶强化镍基高温合金，凭借优异的高温拉伸强度、抗蠕变性和抗氧化性，广泛用于燃气轮机和航空发动机的热端部件。其Ni-Cr基体提供基础抗氧化性，W和Mo固溶强化显著提升高温力学性能，而弥散碳化物则有助于改善抗蠕变性。在长期服役过程中，这些高温部件承受复杂的热-机械载荷，可能诱发高周疲劳失效。同时，涡轮叶片等复杂几何结构不可避免地存在缺口、燕尾根部沟槽和过渡段等几何不连续，这些部位在循环载荷下会产生局部应力集中，成为疲劳裂纹优先萌生的位置。因此，深入理解缺口疲劳行为对于结构完整性设计和焊接修复部件的寿命预测至关重要。在多种焊接工艺中，钨极惰性气体保护焊（TIG焊）因高精度、工艺成熟和适应复杂形状而广泛用于工程实际。然而，现有关于Haynes 230合金焊接的研究主要聚焦于工艺优化或常温力学性能，缺乏其在服役温度（如850–950 °C）下的高周疲劳数据。尤其是，热损伤与缺口应力集中对疲劳退化的相对贡献，以及温度相关的缺口敏感性行为，仍认识不足。为此，本研究系统调查了TIG焊接Haynes 230合金在光滑和缺口（K_t = 3）条件下的高温高周疲劳行为，旨在填补这一空白，并为高温部件的抗疲劳设计和安全评估提供基础数据和理论支持。

二、研究方法概述

研究人员采用自动TIG焊接制备4.50 mm厚Haynes 230合金对接板，焊后去除余高并打磨抛光，以减小表面损伤并保持几何均匀性。依据GB/T 3075-2021加工光滑和缺口疲劳试样，所有试样均取自同一批焊接板。使用伺服液压疲劳试验机（EHF-LM20KN1-020，岛津）在850 °C、900 °C和950 °C下开展轴向力控制高周疲劳试验，应力比R = 0.1，频率约15 Hz。通过Basquin模型拟合S–N曲线，计算疲劳缺口敏感系数（q），并采用温度归一化方法（引入温度修正系数exp[P × ()]）建立统一疲劳寿命预测模型。利用扫描电子显微镜（Hitachi SU5000）观察断口形貌，分析裂纹萌生与扩展机制。

三、研究结果

3.1 S–N曲线

基于Basquin拟合得到各温度下光滑与缺口试样的S–N曲线。结果显示，随试验温度升高，两种试样的应力幅-寿命曲线均明显下移，疲劳寿命显著缩短，这归因于高温热激活促进了裂纹的萌生与扩展。在相同温度下，缺口试样的疲劳寿命明显短于光滑试样，这是因为缺口根部应力集中诱发多源萌生，加剧了疲劳损伤。

3.2 缺口敏感性分析

通过计算疲劳缺口敏感系数，发现Haynes 230合金在850–950 °C范围内均表现为低缺口敏感性，并且900 °C时敏感系数最低。这一现象与局部蠕变变形对应力集中的松弛作用以及高温损伤机制的竞争有关。

3.3 温度归一化分析

利用温度修正系数exp[P × ()]将不同温度下的高周疲劳数据归一化到参考温度，建立了统一的双参数寿命预测模型。该模型在试验温度范围内拟合精度很高，但外推至范围外须谨慎，因为主导损伤机制可能改变。

3.4 M-G关系寿命预测

采用Monkman-Grant（M-G）关系比较光滑与缺口试样的蠕变-疲劳损伤累积行为。结果表明，在所有试验温度下，缺口试样的M-G曲线较光滑试样整体向下、向左移动，意味着在相同最小蠕变速率下缺口试样寿命显著降低，缺口加剧了蠕变-疲劳交互损伤。

3.5 疲劳断口形貌

宏观断口显示，光滑试样在850 °C呈现典型的单源疲劳断裂，随着温度升高，瞬断区面积逐渐扩大；缺口试样则因应力集中形成多源萌生，扩展区分散，瞬断区被分割为多个小区。微观断口上，随温度升高，光滑试样的疲劳条带逐渐退化，韧窝形态向空洞形态转变；缺口试样在900 °C出现二次裂纹，在950 °C呈现“疲劳条带+细小韧窝”的复合形貌，均与宏观力学性能变化一致。

四、讨论与结论

讨论指出，高温和缺口效应均显著降低疲劳寿命，但二者相对重要性随应力幅变化：高应力幅下缺口效应主导，低应力幅下温度损伤更为关键。缺口敏感性在900 °C最低，源于局部蠕变松弛与晶界退化、氧化等损伤因素的平衡；850 °C时蠕变松弛不足使敏感性升高，950 °C时晶界退化等高温损伤超过松弛效应，敏感性再次增大。所建温度修正模型仅适用于850–950 °C窗口。此外，失效位置从850 °C的焊缝区迁移至950 °C的母材或熔合线，表明失效机制由疲劳主导向蠕变辅助损伤转变。

研究结论包括：升温和缺口均显著降低TIG焊接Haynes 230合金的疲劳性能；合金在850–950 °C内缺口敏感性低，900 °C时最低；温度修正统一模型在试验窗口内拟合精度高，可用于寿命分析；缺口使M-G曲线下移，反映缺口加剧蠕变-疲劳交互作用；断口形貌特征与宏观力学行为一致。该研究为TIG焊接Haynes 230接头在850–950