高玉魁， 姜 濤

(北京航空材料研究院，北京100095)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是復(fù)雜的熱力旋轉(zhuǎn)機(jī)械，要求在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)和惡劣的環(huán)境條件下長(zhǎng)壽命工作，其可靠性問(wèn)題十分突出，技術(shù)難度大。近年來(lái)，幾乎所有現(xiàn)役和在研的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)不斷發(fā)生各種重大技術(shù)質(zhì)量與可靠性問(wèn)題，嚴(yán)重影響了飛行安全和部隊(duì)的戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)，延誤了發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期。這些問(wèn)題中發(fā)動(dòng)機(jī)葉片失效問(wèn)題尤為突出。

定向凝固高溫合金渦輪葉片在工作過(guò)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(wèn)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(duì)此類故障的失效性質(zhì)和機(jī)理雖有了初步認(rèn)識(shí)，但針對(duì)故障的解決措施研究不夠。通常認(rèn)為，較為有效的解決方法是對(duì)葉片的葉根及與其相配盤的榫槽區(qū)域進(jìn)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(qiáng)化技術(shù)是一種在多晶金屬材料中廣泛應(yīng)用的強(qiáng)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(guò)噴丸強(qiáng)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(diǎn)，采用噴丸強(qiáng)化工藝提高材料疲勞性能的同時(shí)，還必須克服表面強(qiáng)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(lái)，國(guó)內(nèi)外在定向凝固高溫合金的研究方面取得了很大進(jìn)展。國(guó)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(qiáng)化易引起再結(jié)晶，所以國(guó)內(nèi)外多研究噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)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(qiáng)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(qiáng)化規(guī)律和節(jié)省時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，同時(shí)奠定各向異性材料的表面強(qiáng)化工藝研究基礎(chǔ)，本研究開(kāi)展了噴丸強(qiáng)化對(duì)提高DZ4合金高溫疲勞壽命的可行性研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為DZ4定向凝固高溫合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行1220℃/4h，AC+870℃/ 32h，AC標(biāo)準(zhǔn)熱處理。DZ4高溫合金室溫力學(xué)性能為:抗拉強(qiáng)度σb=1021MPa，伸長(zhǎng)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(jìn)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(jiàn)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(dòng)式噴丸設(shè)備上對(duì)DZ4定向凝固合金進(jìn)行噴丸，噴丸工藝參數(shù)為強(qiáng)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(cè)定其表面粗糙度，并觀察分析噴丸強(qiáng)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行820℃高溫下噴丸強(qiáng)化和未噴丸強(qiáng)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(yàn)，采用升降法測(cè)定疲勞強(qiáng)度，試驗(yàn)測(cè)定獲得50%概率的疲勞S-N曲線。利用JSM5600 LV掃描電鏡對(duì)長(zhǎng)壽命疲勞斷裂試樣進(jìn)行斷口分析。

2 試驗(yàn)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(jiàn)沿一定方向的細(xì)小磨痕，而經(jīng)過(guò)噴丸強(qiáng)化后的試樣表面磨痕已基本消除，表面形貌可見(jiàn)細(xì)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(jiàn)圖2和圖3。

對(duì)噴丸前后試樣進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，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(guò)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(kāi)，經(jīng)打磨拋光后進(jìn)行腐蝕觀察，其表層組織形貌見(jiàn)圖4和圖5，由圖可見(jiàn)，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(qiáng)化和噴丸強(qiáng)化的光滑和缺口試樣在820℃高溫下的疲勞S-N曲線分別見(jiàn)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(qiáng)度約為370MPa，噴丸強(qiáng)化試樣的中值疲勞強(qiáng)度約為375MPa，兩者幾乎相當(dāng)，這主要是因?yàn)楣饣嚇訃娡钑r(shí)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(duì)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(qiáng)度約為322MPa，噴丸強(qiáng)化試樣的中值疲勞強(qiáng)度約為357MPa，提高了11%;Kt=3未噴丸試樣820℃高溫下中值疲勞強(qiáng)度約為271MPa，噴丸強(qiáng)化試樣的中值疲勞強(qiáng)度約為310MPa，疲勞強(qiáng)度提高約14%。

DZ4定向凝固高溫合金在高溫下對(duì)疲勞的應(yīng)力集中敏感性很強(qiáng)，Kt=2疲勞強(qiáng)度下降13%，Kt=3疲勞強(qiáng)度下降27%。而噴丸強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化效果優(yōu)于光滑試樣，其原因可能是缺口根部噴丸強(qiáng)化時(shí)材料加工硬化程度較大，光滑試樣噴丸時(shí)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(qiáng)化對(duì)高溫光滑試樣的強(qiáng)化效果不太顯著而對(duì)缺口試樣比較顯著。此外，噴丸強(qiáng)化對(duì)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(qiáng)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(jìn)行觀察，研究其斷裂行為，以對(duì)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(jiàn)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(jiàn)圖10，可見(jiàn)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(jiàn)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(jìn)而提高材料的高溫疲勞性能。

3 結(jié)論

(1)表面噴丸強(qiáng)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(duì)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(qiáng)化因素和弱化因素對(duì)表面完整性的綜合影響彼此抵消，因此噴丸對(duì)其疲勞性能無(wú)明顯影響。然而，噴丸強(qiáng)化卻能夠較為明顯地改善缺口試樣的抗疲勞性能，并且強(qiáng)化效果隨試樣表面應(yīng)力集中系數(shù)的增大而提高。

［1］孫傳棋，李其娟，林淑熙，等.DZ4定向凝固高溫合金研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，1997，17(1):15-20.

［2］吳昌新，謝濟(jì)周，李其娟，等.一種定向凝固高溫合金低周疲勞性能研究［J］.航空材料學(xué)報(bào)，1994，14(3):27-34.

［3］MULLER T，GEROLD V.Isothermal and bithermal fatigue of a directionally solidified Ni-based superalloy［J］.Scripta Metal Mater，1992，26:1343-1348.

［4］王東林，李家寶，金濤，等.DZ4鎳基高溫合金的再結(jié)晶［J］.金屬學(xué)報(bào)，2006，42(2):167-171.

［5］賈波，李春光，李海燕.表面再結(jié)晶對(duì)定向凝固DZ4合金疲勞行為的影響［J］.材料工程，2008，(6):64-67.

［6］陶春虎，張正方，李運(yùn)菊，等.定向凝固和單晶高溫合金的再結(jié)晶［J］.失效分析與預(yù)防，2006，(4):1-8.

［7］張定銓，何家文.材料中殘余應(yīng)力的X射線衍射分析和作用［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1999.