喷丸对DD412单晶高温合金表面完整性和疲劳性能的影响

2024-08-27 16:07:36 作者：王琨来源：材料工程分享至：

研究背景

涡轮转子叶片是航空发动机的关键部件，其制造材料经历了从变形高温合金、铸造等轴晶高温合金、定向凝固高温合金到单晶高温合金的发展历程。DD412作为第二代镍基单晶高温合金，具有蠕变抗力优越，耐高温，高强度等优势，在服役过程中，要承受较高的温度和应力，叶片榫头和榫槽之间的接触应力、转动产生的离心作用和热应力等的交互作用，使叶片处于复杂交变应力状态，容易产生疲劳失效，影响航空发动机的服役安全性和使用寿命。

本文结合本课题组在单晶合金材料表面强化方面的研究经验，对DD412合金的表面强化工艺进行优化和研究，采用了多种表征手段，获得了喷丸前后材料的表面完整性变化规律及其对高温疲劳寿命/极限的影响，尝试分析、阐述疲劳强化机制。本研究的结果可为DD412单晶合金叶片榫头的喷丸强化提供工艺储备，并为其他型号单晶合金的喷丸强化机理研究提供参考。

高温合金喷丸强化技术研究进展及本研究创新点

WAAM结合了传统焊接技术和增材制造，使用了电弧作为热源，以填充焊丝作为原料进行逐层沉积，直到创建出所需的3D形状结构件。WAAM系统装置主要包括热源、送丝机、辅助保护气体、加热元件和传感器等。根据热源性质的不同，一般来说，WAAM工艺通常分为3种类型：熔化极气体保护焊（GMAW）、非熔化极钨极气体保护焊（GTAW）和等离子弧焊（PAW）。GMAW利用电弧将丝材直接熔化实现沉积成形，可分为金属惰性气体焊接（MIG）和冷金属过渡（CMT）。随着CMT增材技术的研发，众多学者认为CMT是最合适的增材制造技术，因为CMT具有更快的冷却速率，一定程度上避免了大的飞溅和气孔问题。

高强铝合金WAAM的属性和缺陷

喷丸是航空领域应用最广泛的表面强化技术，可显著提高材料的疲劳性能，该技术已在超高强度钢、铝合金、钛合金和等轴高温合金等材料上开展广泛的研究与应用。Foss研究了RR1000镍基高温合金喷丸后在700 ℃热暴露环境下的喷丸影响层演化规律，发现喷丸产生的残余应力和加工硬化会随热暴露发生衰减。Bogachev对不同工艺喷丸后的CMSX-4单晶合金的组织进行扫描电镜分析，发现喷丸加工硬化影响层的深度以及滑移带的密度与喷丸强度、弹丸尺寸之间具有一定的规律性。姜涛开展了喷丸对DZ4合金旋弯疲劳性能影响研究，认为喷丸降低了缺口敏感性，从而提高了疲劳性能；王欣将喷丸应用到DD6，DD10及DD11单晶高温合金上，不同程度地提高了单晶合金的疲劳性能，其中对于DD6合金，分析认为喷丸对表面形貌的优化作用是合金疲劳性能提升的主要机制之一；对于DD10合金，喷丸后产生的表面梯度组织是疲劳性能提高的主要原因；对于DD11合金，则是因为喷丸后内部微观孔洞被压扁甚至闭合，使孔洞处局部应力集中系数显著减小，从而提高了疲劳性能。目前观点普遍认为，喷丸的组织强化作用也是影响疲劳性能的重要因素。

然而，正如前文提到的，即使是同为第二代单晶高温合金的DD5，DD6，喷丸强化对其表面完整性的影响和疲劳性能的增益效果及强化机理也不尽相同。目前国内外缺少针对DD412单晶高温合金喷丸强化效果及机理的研究，而对镍基高温合金喷丸强化机理的探究也多集中于某一特定表面完整性参数的变化上，而作者团队认为，单晶材料疲劳性能的强化应归因于喷丸对多种表面完整性参数调控产生的综合影响，本文采用了多种表征手段，获得了喷丸前后DD412单晶较为全面的表面完整性参数变化规律，获得其对合金高温疲劳性能的影响，探究、阐明喷丸对DD412单晶的疲劳性能的强化机理。

主要研究结果与结论

1 喷丸工艺筛选优化

本文研究了5种喷丸工艺参数对合金表面完整性和高温疲劳性能的影响规律，对各组工艺下的缺口旋弯疲劳试棒的高温疲劳性能进行测试，依据疲劳寿命增益幅度大小，筛选出DD412单晶合金的最优喷丸工艺参数，该工艺可使DD412合金的缺口旋弯疲劳寿命（600 ℃，500 MPa，5000 tpm，K_t=1.7）提高21.7倍，具备十分显著的疲劳性能强化效果。

2 表面形貌与粗糙度

DD412单晶合金喷丸后，表面形貌发生重塑，原本表面密布的大量平行磨削刀痕被均匀、密集的弹坑覆盖。通过调控喷丸工艺参数中的弹丸种类和喷丸强度，可以实现喷后不同的表面轮廓以及粗糙度的增大或减小，进而调控表面应力集中系数。而优化喷丸工艺实施后，DD412单晶合金的表面应力集中系数可显著降低。

图1 喷丸前后DD412合金试样的表面形貌及轮廓曲线对比

3 表层硬度梯度与微观组织演化

喷丸后，表层组织发生明显塑性变形，越靠近试样表面，变形程度越大，接近试样表面的方形γ’相甚至被完全压扁。整个表层组织的塑性变形程度以及位错密度呈现出梯度变化，与硬度梯度的变化规律一致。在次表层观察到斜向交错分布的滑移带，通过透射电镜的衍射图，发现滑移带中分布有孪晶簇，通过调控喷丸工艺参数，可实现不同的表层塑性变形组织和硬化层深度。

图2 喷丸后DD412单晶合金的表层截面组织照片

图3 喷丸后DD412单晶合金不同深度下的高分辨率透射电镜照片

图4 不同喷丸工艺试样沿深度方向的硬度梯度对比图

4 疲劳性能强化机理分析

喷丸可以降低DD412单晶合金的表面应力集中系数，优化表面形貌，抑制表面疲劳源产生；喷丸后的DD412合金表层组织发生塑性变形，引入大量位错，滑移带内形成孪晶组织，这些变形组织可以阻碍裂纹源的扩展；喷丸使DD412合金形成硬化层，沿深度方向存在硬度梯度，较深的硬化层（100 μm以上）可以提高疲劳寿命。以上表面完整性参数，可以通过调整喷丸参数进行调控。喷丸对DD412单晶合金疲劳性能的强化机理是多方面的，当剧烈变形的表层微观组织、较低的表面应力集中系数和较深的喷丸硬化层同时实现时，喷丸对DD412的疲劳性能强化效果达到最佳。