激光冲击处理对GH3039高温合金表面完整性的影响 下载: 523次
1 引 言
高温合金GH3039作为一种固溶强化镍基合金,具有耐高温、耐腐蚀和良好的成形性能,常用于制作航空发动机的热端零件[1]。由于航空发动机零部件常工作在高温高压环境下且需承受交变载荷的作用,尤其在推重比不断增大的情况下,提高航空发动机关键器件的可靠性并延长其使用寿命,具有重要的社会意义和**价值。
零件的表面完整性影响其抗疲劳性能,表面完整性主要包括表面粗糙度、微观组织、残余应力和显微硬度等内容[2]。由GH3039高温合金制备的航空发动机关键结构件在服役一段时间后出现疲劳裂纹,严重影响了飞机的安全和使用寿命[3]。针对此问题,在不改变材料的前提下,采用表面改性技术改善制件的表面完整性是提升其抗疲劳性能的重要手段。
作为一种新型的表面改性技术,激光冲击处理 (Laser shock peening, LSP)技术利用能量密度达GW/cm2量级、脉宽为ns量级的强激光束辐照靶材表面,诱导形成高压冲击波,使靶材发生具有超高应变率的塑性变形,实现冲击强化区域的晶粒细化并形成残余压应力,进而改善靶材的抗疲劳、抗应力腐蚀等性能[3-6]。目前,许多学者开展了激光冲击钛合金[7-8]、铝合金[9-13]以及不锈钢[14]等金属材料的表面完整性研究。GILL等[15]研究发现,在激光冲击之后,IN718SPF高温合金的表面粗糙度由1.2 μm增加到4.18 μm。孔德军等[16]研究发现,激光冲击GH4169的表面残余压应力达到-400 MPa,应力层深度达到0.9 mm。关于不同冲击次数下激光冲击处理对GH3039高温合金表面完整性的影响研究鲜有报道。本文采用激光冲击处理技术,对GH3039高温合金薄板进行了表面改性处理,从残余应力、表面粗糙度、微观结构、显微硬度和物相组成等方面,研究了不同冲击次数下激光冲击处理对GH3039高温合金表面完整性的影响。
2 试 验
2.1 试验材料
本文采用冷轧态的GH3039高温合金薄板作为激光冲击试样,
表 1. GH3039高温合金的化学成分(质量分数,%)
Table 1. Chemical compositions of GH3039 superalloy (mass fraction, %)
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表 2. 室温下GH3039的力学性能
Table 2. Mechanical properties of GH3039 at room temperature
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2.2 激光冲击试验
激光冲击处理试验在广东工业大学完成。试验采用美国LSPT公司研制的Procudo200型激光喷丸系统,冲击参数如
表 3. 激光冲击工艺参数
Table 3. Technological parameters used for laser shock peening
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2.3 表面粗糙度和残余应力测量
采用美国NANOVEA公司研制的PS50型非接触式3D光学轮廓仪测量试样的表面形貌和表面粗糙度,每个试样取三个不同的区域测量粗糙度并计算其平均值。
利用X-350A型X射线应力测定仪测量激光冲击前后试样表面的残余应力,采用侧倾固定侧倾角(Ψ)法测量,定峰方法为交相关法[4],辐射为钴靶Kβ,X光管电压为25 kV,X光管电流为5 mA,准直管直径为2 mm,计数时间为1 s,衍射角扫描步距为0.1°,应力常数为-322 MPa/(°),应力测试晶面为(311),Ψ分别取0、24.2°、35.3°和45°,扫面起始角为158°,终止角为150°[4]。利用LK2005A型电化学工作站测量深度方向的残余应力,对试样进行电解抛光,电解质是硝酸乙醇溶液,同时配合使用X-350A型X射线应力测定仪,每隔50 μm逐层测量残余应力,每层取三个点进行测量并取平均值记录数据。电解抛光试验的参数如
表 4. 电解抛光试验的工艺参数
Table 4. Technological parameters for electro-polishing experiment
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2.4 微观组织和显微硬度的测量
在试样的激光冲击区域,用线切割机床切取出尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的试样,对试样依次进行镶嵌、打磨、抛光、腐蚀和清洗以制作金相试样[3]。采用ZEISS Primotech光学显微镜测量金相试样的微观结构。利用软件Imager Pro-Plus 6.0分析激光冲击处理前后GH3039高温合金的晶粒尺寸。利用线切割机床切取尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的试样,用无水乙醇进行超声清洗以去除表面污渍。将试样沿深度方向切开,镶嵌并打磨抛光。采用HXD-1000TMSC/LCD型显微硬度仪,沿截面方向测量试样的显微硬度,测量载荷为100 g,加载时间为10 s,前10个点间隔50 μm进行测量,后15个点间隔100 μm进行测量,每个点测量三次取平均值计入。采用线切割机床分别在母材与激光冲击试样中切取尺寸为10 mm×10 mm×2 mm的试样,利用丙酮对试样进行超声清洗。采用PANalytical X' Pert型 X射线衍射仪(XRD)对母材和冲击试样进行物相分析,测量参数如下:辐射为CuKα,X光电管电压为40 kV,X光电管电流为40 mA,扫描起始角为20°,终止角为80°,扫描速度为2(°)/min。
3 结果与分析
3.1 表面粗糙度
表面粗糙度是表征零件表面加工质量的重要指标。
图 1. 不同条件下的表面三维形貌图。(a)未冲击;(b)一次冲击;(c)二次冲击;(d)三次冲击
Fig. 1. Surface 3D morphologies under different conditions.(a) Without LSP; (b) 1 impact; (c) 2 impacts; (d) 3 impacts
利用三维形貌仪自带的分析软件测量不同试样的表面粗糙度。GH3039高温合金在不同激光冲击次数下的表面粗糙度如
图 2. 不同冲击次数下表面粗糙度的测量结果
Fig. 2. Measurement results of surface roughness under different numbers of impacts
3.2 显微硬度
图 3. 不同冲击次数下GH3039高温合金沿深度方向的显微硬度
Fig. 3. Microhardness along depth direction of GH3039 superalloy under different numbers of impacts
未冲击时,试样的表层显微硬度平均值为252 HV;一次冲击后,试样的表层显微硬度平均值为306 HV,与母材相比,增长幅度约为21.4%;二次冲击后,表层显微硬度为319 HV,相比母材和一次冲击试样,分别增长了约26.5%、4.2%;三次冲击后,表层显微硬度为324 HV,相比母材和二次冲击试样,分别增长了约28.6%、1.6%。由此可知,激光冲击次数的增加能够显著提高试样表层的显微硬度值,但不同冲击次数下显微硬度值的增长幅度呈减小趋势,这主要归因于单次激光冲击导致试样表层材料发生形变硬化,再次激光冲击时,试样表层材料的动态屈服强度增大,试样再次发生塑性变形需要消耗更多的激光能量,在冲击波能量一定的情况下,用于材料有效塑性变形的能量减少,故试样表层硬度的增幅减小。
由
3.3 残余应力
表 5. 不同冲击次数下GH3039高温合金的表面残余应力测量值
Table 5. Surface residual stress of GH3039 superalloy under different numbers of impacts
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图 4. 不同冲击次数下GH3039高温合金沿深度方向的残余应力分布
Fig. 4. Residual stress distribution along depth direction of GH3039 superalloy under different numbers of impacts
从
3.4 微观结构
图 5. 不同冲击次数下GH3039高温合金的微观结构及局部放大图。(a)(b)未冲击;(c)(d)一次冲击;(e)(f)二次冲击;(g)(h)三次冲击
Fig. 5. Microstructure of GH3039 superalloy and local magnification under different numbers of impacts.(a)(b) Without LSP; (c)(d) 1 impact; (e)(f) 2 impacts; (g)(h) 3 impacts
3.5 物相分析
图 6. 不同冲击次数下GH3039高温合金的XRD图谱及局部放大图。(a)XRD图谱;(b)局部放大图
Fig. 6. XRD patterns of GH3039 superalloy and local magnification under different numbers of impacts.(a) XRD patterns; (b) local magnification
表 6. 不同冲击次数下43.6°~44.6°范围内衍射峰的半峰全宽
Table 6. Full widths at half maximum of diffraction peaks in 43.6°?44.6° range under different numbers of impacts
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4 结 论
以GH3039高温合金为研究对象,采用激光冲击处理技术对其进行表面改性处理。研究发现,激光冲击处理使得合金的表层显微硬度和表面粗糙度均有所增加,金属内部的残余应力状态发生明显改变,合金的表面完整性得到提升。与母材相比,激光冲击试样的晶粒明显细化,但随着冲击次数的增加,GH3039晶粒的细化程度减弱。在不同激光冲击次数下,GH3039中未产生新的物相或发生物相转变。随着冲击次数的增加,衍射峰强度减小,半峰全宽明显增大,这归因于晶粒细化和微观应变的增加。
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