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        噴丸強(qiáng)化對(duì)DD5單晶材料疲勞性能的影響

        2014-11-25 11:42:24楊清何杉孟震威
        金屬加工(熱加工) 2014年23期
        關(guān)鍵詞:鑄鋼噴丸單晶

        楊清,何杉,孟震威

        世界各國(guó)為適應(yīng)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需要,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片制造技術(shù)中采用了單晶制造技術(shù)。單晶葉片的使用,使渦輪前溫度提高55~80℃,推力增加7800N,且具有足夠的壽命,也增加了可靠性。

        目前,在美國(guó)及歐洲國(guó)家,渦輪葉片單晶制造技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。世界先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī):如美國(guó)的F119、歐洲四國(guó)的EJ200及法國(guó)的M88等均采用了單晶葉片。日本、韓國(guó)等也正在積極研制使用單晶空心葉片的新型戰(zhàn)機(jī)。為了趕超國(guó)際先進(jìn)水平,適應(yīng)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展,我國(guó)早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開展了單晶合金研究工作,相繼研制出DD3、DD8等第一代單晶合金,并對(duì)渦輪葉片單晶制造工藝進(jìn)行了一定程度的研究。噴丸強(qiáng)化工藝已普遍應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)、民用發(fā)動(dòng)機(jī)、船舶等行業(yè),噴丸強(qiáng)化可有效延長(zhǎng)零部件的使用壽命,提高整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命,降低成本。

        高壓渦輪工作葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件之一,直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能和安全性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的提高,渦輪進(jìn)氣口的溫度也不斷升高,這使得高壓渦輪工作葉片的工作條件更加惡劣,尤其是榫頭連接處。因此,如何提高渦輪葉片榫頭抗疲勞性能成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題。

        1.試驗(yàn)方法

        噴丸強(qiáng)化是用于提高材料疲勞性能的重要技術(shù),也常應(yīng)用于高壓渦輪工作葉片榫頭的強(qiáng)化。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)葉片榫頭噴丸強(qiáng)化研究主要集中在多晶材料,而對(duì)單晶材料的噴丸強(qiáng)化則較少。本研究以某新型單晶材料為基體,將鑄鋼丸噴丸試樣與陶瓷丸噴丸試樣在650℃高溫下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命的對(duì)比,并對(duì)噴丸后的表面進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

        2.試驗(yàn)材料與方法

        (1)試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料為DD5單晶高溫合金,選用純凈的真空熔煉母合金在真空定向凝固爐上重熔合金、澆注并制成單晶試棒。對(duì)單晶試棒進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理,熱處理制度為1300℃×4h空冷+1120℃×4h空冷+900℃×16h空冷。熱處理后,采用線切割、車削及磨削等工藝將試棒加工成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣和約3mm厚的試片,其中旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的具體形狀與尺寸如圖1所示。

        (2)噴丸試驗(yàn) 一半試樣采用鑄鋼丸噴丸,在數(shù)控噴丸機(jī)上完成;采用噴丸強(qiáng)度范圍為S1~S6,表面覆蓋率為100%。一半試樣采用陶瓷丸噴丸,在數(shù)控噴丸機(jī)上完成。噴丸試片均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)噴丸試片A型。試棒的噴丸強(qiáng)度見附表。

        3.試驗(yàn)結(jié)果與分析

        (1)硬度分布 圖2所示為采用陶瓷丸進(jìn)行不同強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化處理對(duì)合金表層硬度分布的影響??梢钥闯觯S著噴丸強(qiáng)度從C2到C4逐漸增加,從樣品表面到內(nèi)部,顯微硬度先增加再減少,直至達(dá)到內(nèi)部基體的硬度,即噴丸后樣品表面形成了明顯的硬化層。與此同時(shí),隨噴丸強(qiáng)度的增加,表面硬化層的深度也呈加深的趨勢(shì)。

        圖1 DD5缺口疲勞試棒

        圖3顯示了采用鑄鋼丸進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理對(duì)合金表層硬度分布的影響??梢钥闯?,隨著噴丸強(qiáng)度從S3到S4逐漸增加,除了在噴丸強(qiáng)度較低的S1條件下硬化效果不顯著外,其他條件下硬度分布變化規(guī)律與陶瓷丸噴丸一致,硬度在次表面達(dá)到極大值后逐漸降低至基體水平。也同樣表現(xiàn)出隨噴丸強(qiáng)度增加,硬化層增厚的規(guī)律。

        (2)對(duì)疲勞性能的影響 650℃/550MPa下陶瓷丸噴丸和鑄鋼丸噴丸試棒疲勞壽命結(jié)果如圖4所示。從圖中可見,無論是采用陶瓷丸噴丸或是采用鑄鋼丸噴丸,噴丸強(qiáng)度都會(huì)使試棒的疲勞壽命有所提高。陶瓷丸噴丸疲勞壽命提高2~10倍,鑄鋼丸噴丸疲勞壽命平均提高4~10倍。

        (3)疲勞試棒斷口分析 圖5給出了未經(jīng)噴丸處理的試樣斷口。其斷口呈典型的疲勞斷口形貌,包括裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。在裂紋萌生區(qū)可見裂紋萌生于自由表面,這主要與滑移帶在樣品表面的失穩(wěn)擴(kuò)展有關(guān)。

        圖6為陶瓷丸噴丸的旋轉(zhuǎn)彎曲樣品的疲勞斷口。雖然其疲勞斷口同樣呈典型的裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū),但裂紋萌生的位置與未噴丸的樣品不同,主要萌生于樣品的次表面。

        圖7給出了鑄鋼丸噴丸的旋轉(zhuǎn)彎曲樣品的疲勞斷口。斷口均呈典型的解理斷裂特征。裂紋萌生區(qū)不明顯,在S5條件噴丸的樣品可觀察到裂紋萌生于試樣內(nèi)部,而S6條件噴丸的樣品則未觀察到明顯的裂紋源。

        綜合比較可見,未噴丸樣品的疲勞裂紋始于樣品表面,陶瓷丸噴丸后樣品的疲勞裂紋源移到了次表面,而鑄鋼丸噴丸樣品的疲勞裂紋源已移到樣品的內(nèi)部。

        4.結(jié)語

        (1)無論是采用鑄鋼丸還是采用陶瓷丸噴丸均能提高表面顯微硬度,且具有相同的趨勢(shì),從樣品表面到內(nèi)部,顯微硬度先再減少,直至達(dá)到內(nèi)部基體的硬度。此外,兩種丸料噴丸后均呈現(xiàn)出隨著噴丸強(qiáng)度的增加,表面硬化層深度逐漸加深的趨勢(shì)。因此,在顯微硬度方面,采用鑄鋼丸與采用陶瓷丸在一定噴丸強(qiáng)度下均能形成明顯的硬化層。

        噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

        圖2 陶瓷丸噴丸后樣品表層硬度變化

        圖3 鑄鋼丸噴丸后樣品表層硬度變化

        圖4 陶瓷丸和鑄鋼丸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)

        圖5 未噴丸試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口

        圖6 典型的陶瓷丸噴丸樣品斷口

        圖7 鑄鋼丸噴丸樣品的斷口

        (2)鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸均能提高疲勞壽命,陶瓷丸噴丸疲勞壽命提高2~10倍,鑄鋼丸噴丸疲勞壽命提高4~10倍。陶瓷丸在噴丸強(qiáng)度C2時(shí)能達(dá)到最高疲勞壽命;而鑄鋼丸在噴丸強(qiáng)度S5時(shí)能達(dá)到最高疲勞壽命。相比較,鑄鋼丸的平均疲勞壽命更高。

        (3)從斷口來看,未噴丸樣品的疲勞裂紋始于樣品表面,陶瓷丸噴丸后樣品的疲勞裂紋源移到次表面,而鑄鋼丸噴丸樣品的疲勞裂紋源已移到樣品內(nèi)部,有助于抑制疲勞裂紋擴(kuò)展。

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