高玉魁， 姜 濤

(北京航空材料研究院，北京100095)

航空發(fā)動機是復(fù)雜的熱力旋轉(zhuǎn)機械，要求在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)和惡劣的環(huán)境條件下長壽命工作，其可靠性問題十分突出，技術(shù)難度大。近年來，幾乎所有現(xiàn)役和在研的發(fā)動機型號不斷發(fā)生各種重大技術(shù)質(zhì)量與可靠性問題，嚴重影響了飛行安全和部隊的戰(zhàn)訓任務(wù)，延誤了發(fā)動機研制周期。這些問題中發(fā)動機葉片失效問題尤為突出。

定向凝固高溫合金渦輪葉片在工作過程中承受高溫及循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用，葉片剖面是翼型，產(chǎn)生軸向力，其受力最大處是葉根榫槽的壓力邊，此類葉片的榫頭疲勞裂紋問題已經(jīng)成為其工程應(yīng)用的關(guān)鍵制約因素之一，目前人們對此類故障的失效性質(zhì)和機理雖有了初步認識，但針對故障的解決措施研究不夠。通常認為，較為有效的解決方法是對葉片的葉根及與其相配盤的榫槽區(qū)域進行噴丸。這主要是考慮到此部位受力最大，而且最薄弱。噴丸強化技術(shù)是一種在多晶金屬材料中廣泛應(yīng)用的強化技術(shù)，此方法能有效提高多晶體金屬構(gòu)件的疲勞性能。通過噴丸強化能否提高定向凝固材料抗疲勞及抗應(yīng)力腐蝕性能是值得研究的課題。由于定向凝固材料有其本身特點，采用噴丸強化工藝提高材料疲勞性能的同時，還必須克服表面強化可能引起的粗糙度增加、再結(jié)晶與γ'相的筏化等不利因素的影響。

近年來，國內(nèi)外在定向凝固高溫合金的研究方面取得了很大進展。國內(nèi)航空工業(yè)應(yīng)用較多的是DZ4高溫合金。DZ4高溫合金是航空工業(yè)渦輪葉片的主選材料［1，2］，從使用角度而言，其疲勞性能好壞至關(guān)重要［3］。由于噴丸強化易引起再結(jié)晶，所以國內(nèi)外多研究噴丸強化工藝對高溫合金再結(jié)晶行為及疲勞性能的影響［4～6］。但如何發(fā)揮噴丸強化的效果，使其在各向異性材料構(gòu)件上得以應(yīng)用是本研究的主要目的。為了搞清楚各向異性材料的表面噴丸強化規(guī)律和節(jié)省時間與經(jīng)費，同時奠定各向異性材料的表面強化工藝研究基礎(chǔ)，本研究開展了噴丸強化對提高DZ4合金高溫疲勞壽命的可行性研究。

1 試驗材料與方法

試驗材料為DZ4定向凝固高溫合金，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為:C 0.14，Cr 9.28，Co 6.21，W 5.40，Mo 3.73，Al 5.84，Ti 1.82，余量Ni。首先澆鑄成φ80mm的合金母材，在VI-15D型定向結(jié)晶爐中制備φ10mm×200mm的定向凝固合金試棒，然后在箱式熱處理爐中進行1220℃/4h，AC+870℃/ 32h，AC標準熱處理。DZ4高溫合金室溫力學性能為:抗拉強度σb=1021MPa，伸長率δ5=10.7%，斷面收縮率ψ=7.8%。

沿鑄棒縱向和橫向制備金相試樣，經(jīng)打磨拋光后用腐蝕溶液(100mL HCl+20g CuSO4·5H2O+100mL H2O)浸蝕，在掃描電鏡下進行高倍金相組織檢查，合金枝晶主干沿鑄棒軸向呈方向性排列，支晶間分布網(wǎng)狀碳化物，未見鑄造疏松、氣孔等缺陷(圖1)。

圖1 DZ4鑄棒的顯微組織 (a)縱向截面組織; (b)橫向截面組織Fig.1 Microstructure of cast DZ4 superalloy (a)transversal cross surface;(b)longitudinal cross surface

在氣動式噴丸設(shè)備上對DZ4定向凝固合金進行噴丸，噴丸工藝參數(shù)為強度0.15A，表面覆蓋率100%，玻璃彈丸B50。利用掃描電鏡觀察表面形貌，在Taylor輪廓儀上測定其表面粗糙度，并觀察分析噴丸強化前后組織結(jié)構(gòu)和顯微硬度的變化，在PV-6500型懸臂彎曲試驗機上進行820℃高溫下噴丸強化和未噴丸強化光滑試樣(Kt=1)和缺口試樣(Kt=2和Kt=3)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，采用升降法測定疲勞強度，試驗測定獲得50%概率的疲勞S-N曲線。利用JSM5600 LV掃描電鏡對長壽命疲勞斷裂試樣進行斷口分析。

2 試驗結(jié)果與分析討論

2.1 微觀組織

掃描電鏡觀察噴丸前疲勞試樣表面，可見沿一定方向的細小磨痕，而經(jīng)過噴丸強化后的試樣表面磨痕已基本消除，表面形貌可見細小褶皺、凸凹、碾壓等特征，為彈丸噴射到試樣表面后所產(chǎn)生塑性變形后的特征，原有試樣表面形貌完全被覆蓋，見圖2和圖3。

對噴丸前后試樣進行表面粗糙度檢測，噴丸前試樣表面粗糙度Ra為0.251μm，噴丸后試樣表面粗糙度Ra=0.519μm，粗糙度數(shù)值有所增加。粗糙度的增加主要是噴丸過程中形成的彈丸彈坑引起，將形成局部的應(yīng)力集中，為噴丸弱化因素。

噴丸后試樣沿縱向剖開，經(jīng)打磨拋光后進行腐蝕觀察，其表層組織形貌見圖4和圖5，由圖可見，試樣表面出現(xiàn)了加工硬化變形層。表面顯微硬度由噴丸前的384HV增加為450HV，硬度增加了66HV，冷作加工硬化效應(yīng)明顯。

未噴丸強化和噴丸強化的光滑和缺口試樣在820℃高溫下的疲勞S-N曲線分別見圖6、圖7和圖8。由圖可知，Kt=1未噴丸試樣820℃高溫下中值疲勞強度約為370MPa，噴丸強化試樣的中值疲勞強度約為375MPa，兩者幾乎相當，這主要是因為光滑試樣噴丸時引入的殘余應(yīng)力在高溫下極易發(fā)生松弛，而且噴丸彈坑引起的應(yīng)力集中弱化效應(yīng)對于光滑試樣比較敏感;Kt=2未噴丸試樣820℃高溫下中值疲勞強度約為322MPa，噴丸強化試樣的中值疲勞強度約為357MPa，提高了11%;Kt=3未噴丸試樣820℃高溫下中值疲勞強度約為271MPa，噴丸強化試樣的中值疲勞強度約為310MPa，疲勞強度提高約14%。

DZ4定向凝固高溫合金在高溫下對疲勞的應(yīng)力集中敏感性很強，Kt=2疲勞強度下降13%，Kt=3疲勞強度下降27%。而噴丸強化后雖然彈坑處也存在應(yīng)力集中效應(yīng)，但由于較缺口應(yīng)力集中小，因此疲勞強度都不同程度地得到了提高;此外，由于缺口試樣缺口處的應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜［7］，噴丸引入的殘余壓應(yīng)力即使在高溫下也難以松弛，因此可有效緩和應(yīng)力集中敏感性。Kt=2和Kt=3的缺口試樣，噴丸強化效果優(yōu)于光滑試樣，其原因可能是缺口根部噴丸強化時材料加工硬化程度較大，光滑試樣噴丸時將使粗糙度增加和產(chǎn)生應(yīng)力集中而且在高溫下殘余壓應(yīng)力發(fā)生松弛，所以噴丸強化對高溫光滑試樣的強化效果不太顯著而對缺口試樣比較顯著。此外，噴丸強化對DZ4定向凝固高溫合金高溫疲勞性能的影響規(guī)律是:隨著應(yīng)力集中系數(shù)的提高，噴丸強化效果增加。

圖6 820℃高溫下Kt=1噴丸前后疲勞S-N曲線Fig.6 Fatigue S-N curve of Kt=1 specimens at 820℃

選取不同狀態(tài)疲勞試樣斷口在掃描電鏡下進行觀察，研究其斷裂行為，以對比噴丸與未噴丸試樣的疲勞斷口特征。未噴丸試樣的疲勞源均在表面，典型的高溫疲勞斷口，見圖9，疲勞裂紋萌生于試樣表面。噴丸試樣的疲勞斷口形貌見圖10，可見疲勞裂紋萌生位置已經(jīng)由表面轉(zhuǎn)移到了距表面約150μm的次表面碳化物處，見圖10b。噴丸試樣的裂紋多數(shù)萌生于試樣內(nèi)部的缺陷處，少數(shù)裂紋則萌生于次表面的鑄造缺陷處，這使得DZ4合金表面敏感性降低，進而提高材料的高溫疲勞性能。

3 結(jié)論

(1)表面噴丸強化使DZ4定向凝固高溫合金產(chǎn)生了明顯的加工硬化效應(yīng)，噴丸使表面顯微硬度提高了17%。

(2)DZ4定向凝固高溫合金對表面應(yīng)力集中比較敏感。在820℃的高溫條件下，光滑試樣由于噴丸造成的強化因素和弱化因素對表面完整性的綜合影響彼此抵消，因此噴丸對其疲勞性能無明顯影響。然而，噴丸強化卻能夠較為明顯地改善缺口試樣的抗疲勞性能，并且強化效果隨試樣表面應(yīng)力集中系數(shù)的增大而提高。

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