蔡晉,Kiplagat Collins Cherutich,李威,師俊東,林爽
(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院,沈陽(yáng) 110136;2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,沈陽(yáng) 110015)
粉末冶金高溫合金因晶粒細(xì)小、組織均勻等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤、壓氣機(jī)盤、渦輪軸等高溫承力轉(zhuǎn)動(dòng)部件。FGH97 粉末高溫鎳基合金是我國(guó)研制的與俄羅斯EP741NP 牌號(hào)相近的合金。工作溫度下的抗疲勞性能是FGH97 合金的重要特征之一,而夾雜物、表面形貌不均勻等缺陷的存在,對(duì)粉末冶金高溫合金的疲勞壽命有嚴(yán)重的負(fù)面影響,因此通常采用噴丸強(qiáng)化提高FGH97 合金承受循環(huán)載荷、微動(dòng)磨損和應(yīng)力腐蝕的抵抗力[1-2]。
針對(duì)噴丸對(duì)材料疲勞性能的影響,S. Bagherifard等[3-4]通過旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)估了噴丸納米層對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響,結(jié)果顯示,與低粗糙度噴丸試樣相比,較高的粗糙度降低了疲勞壽命,增加了結(jié)果的離散度,降低了疲勞預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,提出了控制噴丸參數(shù)降低粗糙度以改善疲勞性能的重要性。Y. Akiniwa[5]與A. K. Gujba 等[6]的研究表明,對(duì)于承受疲勞載荷的構(gòu)件,表面粗糙度會(huì)部分抵消殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的優(yōu)勢(shì),并導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低,在特定點(diǎn)上引起應(yīng)力集中,從而加速裂紋萌生。Wen Ai-ling 等[7]研究了噴丸強(qiáng)化對(duì)疲勞強(qiáng)度的改善作用,結(jié)果表明,噴丸及復(fù)合噴丸強(qiáng)化對(duì)可以顯著提高目標(biāo)材料的疲勞極限,同時(shí)提出了材料表面狀態(tài)的控制是影響疲勞壽命、疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的關(guān)鍵。G. G. Feldmann 等[8]提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件需采用噴丸處理,以抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展,但噴丸引起的表面粗糙度增加會(huì)降低翼型的空氣動(dòng)力學(xué)效率,因此需要研究噴丸工藝參數(shù)以控制表面粗糙度分布在設(shè)計(jì)要求的使用區(qū)間。何家文[9-10]對(duì)噴丸引起的形變納米化組織結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能的研究表明,高強(qiáng)度噴丸后表面特征的劇烈塑性變化,導(dǎo)致塑性大幅下降,粗糙度急劇提高,過噴丸使疲勞強(qiáng)度顯著下降,導(dǎo)致零件失效幾率增加,因此對(duì)目標(biāo)材料表面質(zhì)量的控制極為重要,同時(shí)基于表面形變各影響因素對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展作用的試驗(yàn),提出殘余壓應(yīng)力是提高疲勞性能的主導(dǎo)因素,這一結(jié)論與美國(guó)空軍研究院[11]、巴西大學(xué)[12]及英國(guó)拉夫堡大學(xué)[13]的研究結(jié)果相似。
針對(duì)噴丸對(duì)材料耐蝕性的影響,A. A. Ahmed[14]與C. Aparicio 等[15]提出耐腐蝕性能與表面粗糙度有關(guān),較高的表面粗糙度和不均勻性可以為破壞鈍化膜提供作用點(diǎn),腐蝕電流密度與粗糙度之間呈線性關(guān)系。英國(guó)Rolls-Royce 公司與斯旺西大學(xué)羅羅技術(shù)研究中心[16]研究了鎳基合金噴丸后的熱腐蝕行為,結(jié)果表明,未噴丸試件表面粗糙度較低,可以減少S 的擴(kuò)散,提高表面含Cr 氧化層的附著力,而噴丸試件表面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,同時(shí)較高的表面粗糙度誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化裂紋,一旦氧化膜破裂,腐蝕性物質(zhì)攻擊基質(zhì)導(dǎo)致耐蝕性降低。
S. Kumar 等[17]的研究表明,與其他表面處理工藝相比,超聲噴丸(USP,Ultrasonic shot peening)處理結(jié)果具有較低的表面粗糙度,通過產(chǎn)生較低的表面粗糙度和有利的殘余壓應(yīng)力場(chǎng),提高了合金材料的疲勞性能。德國(guó)MTU 公司和克勞斯塔爾技術(shù)大學(xué)[18]在兩種噴丸強(qiáng)度下對(duì)超聲噴丸與傳統(tǒng)噴丸進(jìn)行比較研究,結(jié)果表明,噴丸強(qiáng)度相同時(shí)且覆蓋率為100%的情況下,超聲噴丸的表面粗糙度明顯小于傳統(tǒng)噴丸。法國(guó)Sonats 和日本東京精工[19]研究了超聲噴丸對(duì)高強(qiáng)鋼疲勞極限的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,超聲噴丸處理后樣品的表面粗糙度低于傳統(tǒng)噴丸獲得的表面粗糙度,并認(rèn)為造成結(jié)果差異的原因是超聲噴丸的彈丸沖擊速度要比氣動(dòng)噴丸的速度小。M. Taro 等[20]將有限元結(jié)果與超聲噴丸表面粗糙度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了仿真模型的有效性,針對(duì)常用金屬材料的超聲噴丸工藝參數(shù)范圍,給出了工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度及幾何形貌的影響。劉輝等[21]基于有限元仿真研究了超聲噴丸與傳統(tǒng)噴丸的表面應(yīng)力場(chǎng),證實(shí)了超聲噴丸具有較低的表面粗糙度以及較深的殘余壓應(yīng)力層。蔡晉等[22]基于仿真結(jié)合試驗(yàn)研究了腔室形狀對(duì)超聲噴丸沖擊力分布的影響,研究表明,改變超聲噴丸腔室形狀及振幅可以控制零件目標(biāo)區(qū)域的均勻強(qiáng)化。王業(yè)輝等[23]研究了超聲噴丸工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響,結(jié)果顯示,改變超聲噴丸工藝參數(shù)可以控制表面殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力層的深度范圍。楊天南等[24]通過有限元方法研究并預(yù)測(cè)了超聲噴丸表面的基本幾何輪廓變化規(guī)律,建立了應(yīng)力覆蓋范圍與幾何形貌及覆蓋率之間的關(guān)系。以上超聲噴丸強(qiáng)化工藝的研究集中在覆蓋率、殘余應(yīng)力、力學(xué)影響等方面,在表面形貌的探究中僅對(duì)單一粗糙度參數(shù)進(jìn)行基于不同工藝的數(shù)值仿真對(duì)比,沒有從試驗(yàn)、前后道工序等角度綜合評(píng)估超聲噴丸對(duì)表面粗糙度的影響,且強(qiáng)化材料多為鈦合金,而在粉末高溫合金超聲噴丸粗糙度領(lǐng)域仍需進(jìn)一步探究。因此,本文通過試驗(yàn)結(jié)合仿真技術(shù),探究不同噴丸強(qiáng)度下,F(xiàn)GH97 粉末高溫合金超聲噴丸后的表面粗糙度變化規(guī)律,并建立超聲噴丸有限元粗糙度預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)FGH97 粉末高溫合金超聲噴丸后表面粗糙度的數(shù)值評(píng)估。
試驗(yàn)材料為FGH97 粉末高溫合金,采用真空感應(yīng)爐熔煉棒,等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制粉。經(jīng)熱等靜壓成形熱處理后獲得材料毛坯。將粉末高溫合金板材切割成50 mm×60 mm×5 mm 的試樣。熱處理制度為1200 ℃保溫8 h,爐冷到1170 ℃;870 ℃保溫32 h,空冷至室溫。FGH97 的化學(xué)成分如表1 所示,F(xiàn)GH97試樣噴丸前表面狀態(tài)如圖1 所示。
圖1 FGH97 試樣超聲噴丸前的表面狀態(tài)Fig.1 Surface state of FGH97 sample before ultrasonic shot peening
表1 FGH97 粉末高溫合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of FGH97 powder superalloywt%
對(duì)FGH97 粉末高溫合金試樣進(jìn)行超聲噴丸處理,采用氧化鋯陶瓷彈丸,彈丸直徑為2.5 mm,彈丸數(shù)目為500 個(gè),振幅分別為40 μm 與60 μm,噴丸強(qiáng)度分別為0.13 A 與0.18 A。FGH97 粉末高溫合金超聲噴丸工藝參數(shù)如表2 所示。
表2 FGH97 粉末高溫合金超聲噴丸工藝參數(shù)Tab.2 Ultrasonic shot peening process parameters of FGH97 powder superalloy
采用VHX-900 表面輪廓儀測(cè)定試樣的表面粗糙度Ra(輪廓平均算數(shù)偏差)與Rz(輪廓最大高度)。其中Ra的表達(dá)式見式(1),其中Y=f(x)表示采樣長(zhǎng)度內(nèi)的峰值高度。
另一個(gè)在研究中被廣泛認(rèn)可的表面參數(shù)是Rz,即剖面的最大高度,定義為采樣長(zhǎng)度內(nèi)最大剖面峰高(Rp)和最大剖面谷深(Rv)之和[25-26]。根據(jù)其定義,Rz是形貌的極值特征值。Rz的表達(dá)式為:
每個(gè)試樣取10 條測(cè)量線(橫向5 條,縱向5 條),每條線測(cè)5 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),即每個(gè)試樣表面測(cè)量50 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(橫向25 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、縱向25 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)),分別測(cè)量每個(gè)點(diǎn)的Ra(輪廓平均算數(shù)偏差)與Rz(輪廓最大高度)。
采用變異系數(shù)V定義粗糙度均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,設(shè)X1,X2, ···,Xn為總體N(μ,S2)的隨機(jī)樣本。分別采用25 個(gè)值(所有數(shù)據(jù)點(diǎn))、10 個(gè)極值、5 個(gè)極值,計(jì)算0.13 A 與0.18 A 噴丸強(qiáng)度下試樣表面橫向與縱向粗糙度均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,以反映不同極值數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)目下粗糙度值的離散度波動(dòng)情況。
樣本標(biāo)準(zhǔn)差S為:
變異系數(shù)V為:
在超聲噴丸過程中,材料的屈服應(yīng)力和屈服極限在不同的應(yīng)變速率下將發(fā)生改變,F(xiàn)GH97 粉末高溫合金材料的塑性參數(shù)采用Johnson-Cook 模型(在材料定義時(shí)選擇Rate dependent)。材料的屈服極限用為[27]:
式中:σ為材料應(yīng)力;A為材料靜態(tài)屈服應(yīng)力;B為材料應(yīng)變冪指系數(shù);ε為材料等效塑性應(yīng)變;n為應(yīng)變硬化指數(shù);C為應(yīng)變率敏感系數(shù);為應(yīng)變影響因子;T*為溫度影響因子;m為溫度敏感性系數(shù)。設(shè)置材料熔點(diǎn)和參考溫度(一般取室溫),相應(yīng)的參數(shù)見表3。
表3 FGH97 材料本構(gòu)模型參數(shù)Tab.3 Parameters of material constitutive model of FGH97
試件尺寸為50 mm×60 mm×5 mm,單元類型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,下表面1 mm 層深單元尺寸采用 0.5 mm×0.5 mm×0.05 mm,向上逐漸增加至0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm,網(wǎng)格類型為C3D8R。腔室尺寸為156 mm×136 mm×116 mm,壁厚為8 mm,網(wǎng)格尺寸為8 mm,網(wǎng)格類型為C3D8R(采用剛性體約束,不考慮變形),振動(dòng)頭單元尺寸為7 mm,網(wǎng)格類型為C3D8R(采用剛性體約束,不考慮變形)。超聲噴丸數(shù)值模型如圖2 所示。
圖2 超聲噴丸材料流動(dòng)與粗糙度場(chǎng)數(shù)值分析示意圖Fig.2 Schematic diagram of numerical analysis of ultrasonic shot peening material flow and roughness field: (a) spheres distribution and motion vector field; (b) spheres and sample; (c) ultrasonic shot peening device; (d) surface equivalent strain field; (e) surface material flow; (f) surface roughness field
采用噴丸強(qiáng)度0.18 A 的超聲噴丸試驗(yàn)工藝參數(shù),對(duì)試樣表面進(jìn)行超聲噴丸數(shù)值仿真,放大試樣表面豎直方向變形,分析超聲噴丸表面宏觀形貌。圖3a 為超聲噴丸表面粗糙度形貌的透視化反饋,反映出超聲噴丸表面宏觀粗糙度形貌較為均勻,并未有較多的孤立峰值與谷值出現(xiàn)。圖3b 為超聲噴丸仿真表面的總體形貌情況,試樣表面沖擊凹坑密度分布均勻,峰谷值在不同的區(qū)域差異較小,試樣邊部區(qū)域的較大變形是由一定程度的應(yīng)力集中引起的。
為了比較數(shù)值模型結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異性大小,對(duì)超聲噴丸試樣沿橫向與縱向在位移場(chǎng)中的粗糙度截面分割,沿全局坐標(biāo)系X軸均分截取5 個(gè)粗糙度截面,沿Y軸同樣截取5 個(gè)粗糙度截面,截取方式如圖3c—d 所示。其中圖3c 表示截取試樣橫向表面粗糙度,圖3b 表示截取試樣縱向表面粗糙度?;谇衅砻娣骞戎?,對(duì)超聲噴丸試樣的二維粗糙度值進(jìn)行數(shù)值評(píng)估。
圖3 0.18 A 超聲噴丸仿真試樣的整體形貌Fig.3 Overall morphology of 0.18 A ultrasonic shot peening sample: (a) perspective view of the surface morphology along the X direction; (b) surface morphology; (c) Y direction slice of roughness section; (d) X direction slice of roughness section
根據(jù)公式(1)和公式(2),得出切片1 橫向粗糙度Ra、Rz分別為1.12、4.52 μm,縱向粗糙度Ra、Rz分別為1.14、4.48 μm,同樣方式求出橫縱向粗糙度切片(2~5)的Ra、Rz值,得出橫縱向粗糙度Ra、Rz均值分別為1.02、4.3 μm。由于仿真結(jié)果不受試樣前處理造成的外觀幾何影響,橫縱向粗糙度幾乎不存在方向性,同時(shí)試樣表面除邊緣區(qū)域,其他區(qū)域橫縱向粗糙度差異較小。
圖4a、圖4b 分別為噴丸強(qiáng)度0.13 A 與0.18 A 超聲噴丸處理后的表面狀態(tài)。隨著噴丸強(qiáng)度的增加,噴丸強(qiáng)度為0.18 A 時(shí),單位面積內(nèi)的凹坑數(shù)增多,塑性變形分布更均勻,材料表面機(jī)加工痕跡被超聲噴丸凹坑覆蓋的程度較0.13 A 時(shí)更高,沖擊產(chǎn)生的凹坑與周邊凸起區(qū)域的塑性變形程度更明顯。
圖5 為0.13 A 與0.18 A 超聲噴丸試樣表面粗糙度檢測(cè)輪廓形貌,彈丸沖擊試樣表面發(fā)生塑性變形,局部出現(xiàn)凹坑(藍(lán)色)和凸起(紅色)。0.18 A 超聲噴丸試樣表面凹坑周圍凸起高度及凹坑深度明顯高于0.13 A 試樣。表4 統(tǒng)計(jì)了兩種噴丸強(qiáng)度超聲噴丸后的試樣表面橫縱向粗糙度情況,其中兩種噴丸強(qiáng)度下橫向與縱向的Ra、Rz值分別為25 個(gè),以Ra值體現(xiàn)超聲噴丸后試樣表面整體平均粗糙度輪廓信息,以Rz值體現(xiàn)超聲噴丸試樣表面宏觀輪廓信息,粗糙度統(tǒng)計(jì)顯示,0.13 A 噴丸強(qiáng)度下,橫縱向整體粗糙度Ra、Rz均值分別為0.85、3.85 μm;0.18 A 噴丸強(qiáng)度下,橫縱向整體粗糙度Ra、Rz均值分別為0.96、4.25 μm。兩種噴丸強(qiáng)度下,試樣的橫向粗糙度與縱向粗糙度并不存在明顯的方向性,橫向與縱向每條粗糙度測(cè)量線下平均粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)差范圍相近,同一噴丸強(qiáng)度下,每條粗糙度測(cè)量線的平均粗糙度浮動(dòng)不明顯,但標(biāo)準(zhǔn)差浮動(dòng)范圍較大,因此需要進(jìn)一步對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行粗糙度均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分析。
圖4 超聲噴丸試樣的表面形貌Fig.4 Surface morphology of ultrasonic shot peening sample
圖5 超聲噴丸試樣表面粗糙度檢測(cè)Fig.5 Surface roughness measurement of ultrasonic shot peening sample
表4 超聲噴丸試樣粗糙度Tab.4 Roughness of ultrasonic shot peening sample
圖6 為0.13 A 與0.18 A 超聲噴丸強(qiáng)度下模擬的粗糙度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。0.13 A 橫縱向粗糙度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,25 個(gè)測(cè)量值統(tǒng)計(jì)的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差雖然較小,但橫縱向存在約2%的浮動(dòng);10個(gè)極值統(tǒng)計(jì)的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差基本穩(wěn)定在10.4%附近,橫縱向相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差變化低于0.3%;5個(gè)極值統(tǒng)計(jì)的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差超過15%。0.18 A 橫縱向粗糙度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,25 個(gè)測(cè)量值統(tǒng)計(jì)的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差雖然較小,但橫縱向存在大于1%的浮動(dòng);10 個(gè)極值統(tǒng)計(jì)的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差基本穩(wěn)定在9.5%附近,橫縱向相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差變化低于0.3%;5 個(gè)極值統(tǒng)計(jì)的情況下,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差超過15%,且橫縱向差異超過3%。橫縱向具體Ra與Rz具體相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值如表5 所示。
圖6 兩種噴丸強(qiáng)度下橫縱向粗糙度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.6 Relative standard deviation of horizontal and vertical roughness under two shot peening intensities
表5 超聲噴丸粗糙度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Tab.5 Relative standard deviation of roughness of ultrasonic shot peening
超聲噴丸模擬與試驗(yàn)試樣表面形貌基本相似,凹坑密度分布均勻,橫縱向粗糙度模擬值(Ra、Rz均值分別為1.02、4.3 μm)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)(Ra、Rz均值分別為0.96、4.25 μm)最終評(píng)估值的差異小于10%,符合所建議的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)公差范圍,因此該數(shù)值模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲噴丸粗糙度場(chǎng)的評(píng)估。比較0.13 A 與0.18 A 噴丸強(qiáng)度下,不同測(cè)量點(diǎn)數(shù)量的Ra、Rz均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果表明,兩種噴丸強(qiáng)度下,縱向粗糙度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差略大于橫向,表面機(jī)加工痕跡雖然沒有對(duì)粗糙度均值產(chǎn)生明顯的方向性影響,但一定程度上影響了橫縱向粗糙度數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。比較兩種噴丸強(qiáng)度下橫縱向在25 個(gè)測(cè)量值、10 個(gè)極值、5 個(gè)極值時(shí)的Ra與Rz均值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,增加噴丸強(qiáng)度至0.18 A 后,試樣表面橫縱向Ra與Rz相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差減小,說(shuō)明噴丸強(qiáng)度的增加雖然增加了Ra與Rz均值(根據(jù)表5),但一定程度上降低了試樣表面橫縱向粗糙度分布的離散度。在不同噴丸強(qiáng)度粗糙度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)下,10 個(gè)極值的測(cè)量數(shù)目體現(xiàn)了最佳的粗糙度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,兩種噴丸強(qiáng)度下,粗糙度標(biāo)準(zhǔn)偏差均低于10%,且橫縱向相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差變化低于3%,較其他兩種方式,更能準(zhǔn)確反映出超聲噴丸后試樣表面粗糙度的情況。
1)表面機(jī)加工痕跡雖然沒有對(duì)粗糙度均值產(chǎn)生明顯的方向性影響,但一定程度上影響了FGH97 粉末高溫合金超聲噴丸橫縱向粗糙度數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,因此對(duì)超聲噴丸強(qiáng)化表面粗糙度分析前試樣的前處理狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量分析是必要的。
2)噴丸強(qiáng)度的增加雖然增加了Ra與Rz均值,但一定程度上降低了試樣表面橫縱向粗糙度分布的離散度。
3)10 個(gè)極值的測(cè)量數(shù)目體現(xiàn)了最佳的粗糙度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,樣本數(shù)目過多或過少都會(huì)使相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的離散度增大。與其他兩種方式比較,10 個(gè)極值的取樣測(cè)量數(shù)目更能準(zhǔn)確反映出超聲噴丸后試樣表面粗糙度的情況。
4)基于有限元仿真可以對(duì)FGH97 超聲噴丸強(qiáng)化表面宏觀形貌及數(shù)值進(jìn)行有效的評(píng)估和預(yù)測(cè)分析。