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GH4133 鎳基高溫合金是以鎳-鉻固溶為基, γ′[Ni 3 (Al,Ti,Nb)]為主要強化相的時(shí)效硬化型合金, 該合金具有良好的綜合性能, 晶粒均勻細小, 屈服強度高,易于熱加工成形, 適合于制造溫度在 750 ℃以下航空發(fā)動(dòng)機的渦輪盤(pán)和葉片等重要部件。 采用 GH4133 鎳基高溫合金制備的部件在實(shí)際使用過(guò)程中, 由于振動(dòng)疲勞引起的部件疲勞斷裂, 嚴重影響其使用的安全和可靠性。 由于疲勞裂紋通常發(fā)生在表面, 為了改善部件的表面性能, 提高抗疲勞性能, 常采用表面強化技術(shù)對材料進(jìn)行改性, 研究表明, 激光沖擊強化(laser shockpeening, LSP) 是一種新型的表面強化技術(shù), 可以細化材料表層組織, 在表層殘留較大的殘余壓應力, 明顯提高其疲勞壽命。 其原理為: 短脈沖(幾十納秒)的高峰值功率密度(>109 W/cm 2 )的激光輻照金屬表面, 使金屬表面涂覆的吸收保護層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā),產(chǎn)生高壓(>1GPa )的等離子體沖擊波, 沖擊波的力效應使表層材料微觀(guān)組織發(fā)生變化, 在較深的厚度上殘留壓應力, 從而顯著(zhù)提高金屬材料抗疲勞、耐磨損和防應力腐蝕等性能。
GH4133 鎳基高溫合金的疲勞性能, 但由于該合金的實(shí)際工作溫度較高, 而在高溫的作用下, GH4133 鎳基高溫合金的激光沖擊強化效果的穩定性尚不清楚, 目 前, 國內未見(jiàn)相關(guān)報道。因此本實(shí)驗研究激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金及溫度作用下微觀(guān)組織和殘余壓應力分布, 探討激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度影響下的熱穩定性, 為實(shí)現激光沖擊強化技術(shù)在 GH4133 鎳基高溫合金部件上的工程應用提供試驗數據和理論依據。
實(shí)驗材料為 GH4133 鎳基高溫合金, 成分如表 1。
為了對比研究溫度對激光強化 GH4133 鎳基高溫合金的穩定性影響, 設計了 3 種不同表面狀態(tài), 分別是: 第 1 組: 未處理試樣; 第 2 組: 將試樣進(jìn)行激光沖擊強化處理; 第 3 組: 將試樣進(jìn)行激光沖擊強化處理后在 500 ℃下保溫 1 h。
上海鋼澤合金集團有限公司
為了保證激光誘導等離子體沖擊波對材料的作用效果, 首先對 GH4133 鎳基高溫合金所需的激光功率密度進(jìn)行估算。 其方法是: 根據 GH4133 鎳基高溫合金的Hugoniot 彈性極限(HEL),提出沖擊波峰值壓力與激光功率密度的關(guān)系經(jīng)驗公式估算引起材料動(dòng)態(tài)塑性變形所需的功率密度; 然后根據激光功率密度和能量關(guān)系公式換算出激光能量范圍。
式中, P 為沖擊波峰值壓力(GPa), α 是效率系數, A 為吸收率, 約束層為水、 吸收層為膠帶的情況下 α=0.24,A=0.87; Z為水和膠帶折合阻抗, 即 2/Z=1/Z 膠帶 +1/Z 約束層 ,可得 Z=0.908× 10 6 g·cm -2 ·s -1 ; I 為激光的輸出功率密度(GW/cm 2 )。
I=E/τS (2)
式中,E為激光器輸出能量(J),τ為激光脈沖(ns),S為光斑面積(cm2)。
GH4133鎳基高溫合金材料室溫性能: σ Y =878MPa, σ b =1221 MPa。 計算采用的激光功率密度范圍為4.29 GW·cm -2 , 本 GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強化采用 Nd:YAG 固體激光器, 其工藝參數為: 激光波長(cháng)1064 nm, 激光能量 10.8 J, 脈寬 20 ns, 光斑直徑 4 mm,搭接率 66%。 約束層為水, 吸收保護層采用鋁箔。
保溫試驗采用真空保溫爐, 將試件放入箱式爐中,在500 ℃的溫度下保溫1h。
NEOPHOT-21 型金相顯微鏡;利用 Quanta200 掃描電鏡觀(guān)察強化前、 強化后保溫試樣橫截面的形貌; 顯微硬度測試設備為 MVS-1000JMT2顯微硬度計, 載荷為 200 g、 加載時(shí)間為 15 s。 殘余應力測試采用 X-350A型 X射線(xiàn)應力儀對試樣的表面和截面應力分布進(jìn)行測試。 疲勞試驗采用高溫疲勞試驗裝置, 試驗溫度為 500 ℃。
對未強化、強化 2 種狀態(tài)試樣在相同條件下進(jìn)行疲勞試驗, 按威布爾概率分布模型進(jìn)行擬合, 對實(shí)驗數據進(jìn)行分析和處理, 其結果如表 2 所示。
從表 2 中可知。 GH4133 鎳基高溫合金試樣不同狀態(tài)的疲勞壽命分別為: 原始試樣為1.12× 10 5;激光沖擊強化后在500℃溫度下的疲勞壽命為2.62× 105 , 是未處理試樣的 2.34倍。
實(shí)驗結果表明, 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下仍能顯著(zhù)提高其安全壽命, 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在 500 ℃仍具有很好的熱穩定性。
不同狀態(tài)激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金的截面微觀(guān)組織如圖 1 所示, 從圖中可以看出, GH4133 合金基體組織由等軸晶組成(圖 1a), 晶粒較大, 在 100~400μm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金其微觀(guān)組織是在 γ奧氏體基體上分布著(zhù)許多細小而均勻的 γ’沉淀強化相,以及變形和強化過(guò)程產(chǎn)生的大量細化的晶粒和孿晶組織(圖 1b)。 相比于激光沖擊強化試樣, 在 500 ℃下保溫 1 h 后的 GH4133 鎳基高溫合金的微觀(guān)組織如圖 1c、1d、 1e 所示, 由于溫度的作用, 激光沖擊強化引起的塑性變形形成了大量孿晶組織和細小晶粒未發(fā)生長(cháng)大,晶界更加清晰, 組織更加均勻的分布, 并在 10000 倍下(圖 1e), 在晶界上析出大量細小, 均勻分布的析出相,因為 GH4133 變形高溫合金的 γ’在 500 ℃開(kāi)始析出,M 23 C 6 需要在 600 ℃析出 , 因此可以知道析出相為 γ’。
GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊保溫前后的殘余應力如圖 2 所示。
從圖中可以看出, GH4133 鎳基高溫合金基體的殘余壓應力在–59 MPa, 而經(jīng)過(guò)激光沖擊強化后的殘余最大值為–381 MPa, 影響深度大于 0.8 mm, 而經(jīng)過(guò) 500 ℃保溫 1 h 處理后, 表層的殘余壓應力為 302 MPa, 下降了 20%, 但保溫后 GH4133 鎳基高溫合金的殘余壓應力仍高于基體的值, 影響深度大于 0.8 mm, 且隨著(zhù)距表面深度的增加, 殘余壓應力梯度減緩, 深度影響較小。
GH4133 鎳基高溫合金不同狀態(tài)的截面顯微硬度如圖 3 所示。 從圖中可以看出, 未處理試樣的顯微硬度在 4500 MPa 左右, 而經(jīng)過(guò)激光沖擊強化后顯微硬度達到 5700 MPa, 明顯高于基體的顯微硬度值, 影響深度達到 2 mm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金經(jīng)過(guò)保溫處理后, 表面硬度值高于激光沖擊后試樣的硬度值, 達到 5900 MPa, 影響深度仍能達到2mm。
由圖 1 可知, 激光沖擊強化過(guò)程產(chǎn)生的等離子體沖擊波使 GH4133 鎳基高溫合金的表面組織細化, 形成大量的孿晶, 對提升材料的抗疲勞具有重要作用。
GH4133 鎳基高溫合金有等軸晶構成, 晶內有退火孿晶貫穿整個(gè)晶粒, 激光沖擊強化后保溫處理, 相當于低溫形變熱處理, 使得激光沖擊強化冷變形過(guò)程形成的晶粒被拉長(cháng), 形成細條狀, 產(chǎn)生形變孿晶, 晶粒細化, 形成加工硬化, 提高材料表層的顯微硬度;由于變形的不均勻而產(chǎn)生內應力; 當變形量很大時(shí),這些組織結構的變化使高溫合金強度增加, 塑性下降,這種不穩定狀態(tài)不能直接使用, 在500 ℃保溫處理后,除機械孿晶外, 通過(guò)原子擴散發(fā)生回復, 使晶格扭曲減輕, 減小內應力, 通常析出主要強化相或其他析出相(γ’相 Ni 3 X)。 這些相優(yōu)先在冷加工變形的各種缺陷或高能位置形核, 所以析出相更加細小均勻(圖 1e),強化效果更好, 同時(shí)釘扎在晶界及亞晶界上塊狀析出,使得激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理后, 合金保持組織穩定性。因此, 激光沖擊強化 GH4133鎳基高溫合金在 500 ℃以下可以長(cháng)期使用。
另一方面材料的疲勞性能與材料的組織結構有關(guān),主要包括晶粒尺寸、 亞晶粒尺寸、 晶體晶格畸變(微觀(guān)應力) 等。 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金使得晶粒尺寸減小, 數量增多, 晶界增多可以提高滑移變形抗力, 增加裂紋擴展的晶界阻力, 同時(shí)抑制裂紋的萌生,有效阻止疲勞裂紋的擴展。
由圖 2 可知, 經(jīng)過(guò)激光沖擊強化后 GH4133 鎳基高溫合金材料表層產(chǎn)生了深度大于 0.8 mm 的殘余壓應力場(chǎng), 表面殘余壓應力可達 381 MPa, 經(jīng)過(guò)保溫處理后,激光沖擊強化過(guò)程在材料表層形成的殘余壓應力部分釋放, 但仍有較高的殘余壓應力殘留在材料表層, 而且在溫度的作用下殘余壓應力沿深度方向的梯度減緩, 使得殘余壓應力分布更加的均勻, 且分布深度大于 0.8mm。 這一點(diǎn)在顯微硬度沿深度的分布中得到同樣的結果, GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強化后保溫的顯微硬度值增加的深度大于 0.8 mm。
由于材料的疲勞性能與殘余應力有關(guān), 殘余應力在疲勞載荷中起著(zhù)平均應力的等效作用, 殘余壓應力相當于負的平均殘余應力, 它能提高工件的抗疲勞強度; 殘余拉應力相當于正平均應力, 它降低了工件的抗疲勞強度。 殘余壓應力增大, 可顯著(zhù)提高材料的疲勞性能, 抑制裂紋的萌生, 延長(cháng)疲勞壽命。
因此, 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下, 殘余壓應力部分釋放, 沿深度方向的梯度減緩,與細化晶粒、 變形孿晶、 析出相共同作用, 強化效果仍發(fā)揮作用, 具有很好的熱穩定性, 有利于提高 GH4133材料的疲勞性能。
1) 在 500 ℃溫度作用下, 激光沖擊強化 GH4133鎳基高溫合金產(chǎn)生的細化晶粒未發(fā)生長(cháng)大, 析出相細小均勻, 強化效果更好, 釘扎在晶界及亞晶界上, 使得激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理后, 合金保持組織穩定性。
2) 在500 ℃溫度作用下, 激光沖擊強化后 GH4133合金產(chǎn)生的表層殘余壓應力有部分釋放, 下降了 20%,但分布的深度大于 0.8 mm。 而顯微硬度值比保溫前增加, 且影響深度仍超過(guò) 0.8 mm。
3) 激光沖擊強化后在 500 ℃溫度下的疲勞壽命為2.62×10 5 , 是原始試樣的 2.34 倍。
4) 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金熱穩定性由兩部分組成: 一方面, 在溫度作用下, 激光沖擊強化的微觀(guān)組織的晶粒細化、 大量變形孿晶及晶界析出相,使得微觀(guān)組織具有良好的穩定性; 另一方面, 殘余壓應力等在溫度作用下部分釋放, 梯度減緩, 穩定性好。 這兩者共同作用提高了 GH4133 的疲勞性能。