噴丸強(qiáng)化對DD5單晶材料疲勞性能的影響

楊清，何杉，孟震威

世界各國為適應(yīng)高推重比航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的需要，在航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片制造技術(shù)中采用了單晶制造技術(shù)。單晶葉片的使用，使渦輪前溫度提高55～80℃，推力增加7800N，且具有足夠的壽命，也增加了可靠性。

目前，在美國及歐洲國家，渦輪葉片單晶制造技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展。世界先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)：如美國的F119、歐洲四國的EJ200及法國的M88等均采用了單晶葉片。日本、韓國等也正在積極研制使用單晶空心葉片的新型戰(zhàn)機(jī)。為了趕超國際先進(jìn)水平，適應(yīng)高推重比航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，我國早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開展了單晶合金研究工作，相繼研制出DD3、DD8等第一代單晶合金，并對渦輪葉片單晶制造工藝進(jìn)行了一定程度的研究。噴丸強(qiáng)化工藝已普遍應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)、民用發(fā)動機(jī)、船舶等行業(yè)，噴丸強(qiáng)化可有效延長零部件的使用壽命，提高整個(gè)發(fā)動機(jī)的壽命，降低成本。

高壓渦輪工作葉片作為航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一，直接決定了發(fā)動機(jī)的使用性能和安全性。隨著發(fā)動機(jī)工作效率的提高，渦輪進(jìn)氣口的溫度也不斷升高，這使得高壓渦輪工作葉片的工作條件更加惡劣，尤其是榫頭連接處。因此，如何提高渦輪葉片榫頭抗疲勞性能成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題。

1.試驗(yàn)方法

噴丸強(qiáng)化是用于提高材料疲勞性能的重要技術(shù)，也常應(yīng)用于高壓渦輪工作葉片榫頭的強(qiáng)化。但目前國內(nèi)對葉片榫頭噴丸強(qiáng)化研究主要集中在多晶材料，而對單晶材料的噴丸強(qiáng)化則較少。本研究以某新型單晶材料為基體，將鑄鋼丸噴丸試樣與陶瓷丸噴丸試樣在650℃高溫下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命的對比，并對噴丸后的表面進(jìn)行分析與評價(jià)。

2.試驗(yàn)材料與方法

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料為DD5單晶高溫合金，選用純凈的真空熔煉母合金在真空定向凝固爐上重熔合金、澆注并制成單晶試棒。對單晶試棒進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)熱處理，熱處理制度為1300℃×4h空冷+1120℃×4h空冷+900℃×16h空冷。熱處理后，采用線切割、車削及磨削等工藝將試棒加工成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣和約3mm厚的試片，其中旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的具體形狀與尺寸如圖1所示。

（2）噴丸試驗(yàn) 一半試樣采用鑄鋼丸噴丸，在數(shù)控噴丸機(jī)上完成；采用噴丸強(qiáng)度范圍為S1～S6，表面覆蓋率為100%。一半試樣采用陶瓷丸噴丸，在數(shù)控噴丸機(jī)上完成。噴丸試片均采用國際標(biāo)準(zhǔn)噴丸試片A型。試棒的噴丸強(qiáng)度見附表。

3.試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）硬度分布 圖2所示為采用陶瓷丸進(jìn)行不同強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化處理對合金表層硬度分布的影響。可以看出，隨著噴丸強(qiáng)度從C2到C4逐漸增加，從樣品表面到內(nèi)部，顯微硬度先增加再減少，直至達(dá)到內(nèi)部基體的硬度，即噴丸后樣品表面形成了明顯的硬化層。與此同時(shí)，隨噴丸強(qiáng)度的增加，表面硬化層的深度也呈加深的趨勢。

圖1 DD5缺口疲勞試棒

圖3顯示了采用鑄鋼丸進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理對合金表層硬度分布的影響。可以看出，隨著噴丸強(qiáng)度從S3到S4逐漸增加，除了在噴丸強(qiáng)度較低的S1條件下硬化效果不顯著外，其他條件下硬度分布變化規(guī)律與陶瓷丸噴丸一致，硬度在次表面達(dá)到極大值后逐漸降低至基體水平。也同樣表現(xiàn)出隨噴丸強(qiáng)度增加，硬化層增厚的規(guī)律。

（2）對疲勞性能的影響 650℃/550MPa下陶瓷丸噴丸和鑄鋼丸噴丸試棒疲勞壽命結(jié)果如圖4所示。從圖中可見，無論是采用陶瓷丸噴丸或是采用鑄鋼丸噴丸，噴丸強(qiáng)度都會使試棒的疲勞壽命有所提高。陶瓷丸噴丸疲勞壽命提高2～10倍，鑄鋼丸噴丸疲勞壽命平均提高4～10倍。

（3）疲勞試棒斷口分析 圖5給出了未經(jīng)噴丸處理的試樣斷口。其斷口呈典型的疲勞斷口形貌，包括裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。在裂紋萌生區(qū)可見裂紋萌生于自由表面，這主要與滑移帶在樣品表面的失穩(wěn)擴(kuò)展有關(guān)。

圖6為陶瓷丸噴丸的旋轉(zhuǎn)彎曲樣品的疲勞斷口。雖然其疲勞斷口同樣呈典型的裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，但裂紋萌生的位置與未噴丸的樣品不同，主要萌生于樣品的次表面。

圖7給出了鑄鋼丸噴丸的旋轉(zhuǎn)彎曲樣品的疲勞斷口。斷口均呈典型的解理斷裂特征。裂紋萌生區(qū)不明顯，在S5條件噴丸的樣品可觀察到裂紋萌生于試樣內(nèi)部，而S6條件噴丸的樣品則未觀察到明顯的裂紋源。

綜合比較可見，未噴丸樣品的疲勞裂紋始于樣品表面，陶瓷丸噴丸后樣品的疲勞裂紋源移到了次表面，而鑄鋼丸噴丸樣品的疲勞裂紋源已移到樣品的內(nèi)部。

4.結(jié)語

（1）無論是采用鑄鋼丸還是采用陶瓷丸噴丸均能提高表面顯微硬度，且具有相同的趨勢，從樣品表面到內(nèi)部，顯微硬度先再減少，直至達(dá)到內(nèi)部基體的硬度。此外，兩種丸料噴丸后均呈現(xiàn)出隨著噴丸強(qiáng)度的增加，表面硬化層深度逐漸加深的趨勢。因此，在顯微硬度方面，采用鑄鋼丸與采用陶瓷丸在一定噴丸強(qiáng)度下均能形成明顯的硬化層。

噴丸強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 陶瓷丸噴丸后樣品表層硬度變化

圖3 鑄鋼丸噴丸后樣品表層硬度變化

圖4 陶瓷丸和鑄鋼丸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)

圖5 未噴丸試樣旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口

圖6 典型的陶瓷丸噴丸樣品斷口

圖7 鑄鋼丸噴丸樣品的斷口

（2）鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸均能提高疲勞壽命，陶瓷丸噴丸疲勞壽命提高2～10倍，鑄鋼丸噴丸疲勞壽命提高4～10倍。陶瓷丸在噴丸強(qiáng)度C2時(shí)能達(dá)到最高疲勞壽命；而鑄鋼丸在噴丸強(qiáng)度S5時(shí)能達(dá)到最高疲勞壽命。相比較，鑄鋼丸的平均疲勞壽命更高。

（3）從斷口來看，未噴丸樣品的疲勞裂紋始于樣品表面，陶瓷丸噴丸后樣品的疲勞裂紋源移到次表面，而鑄鋼丸噴丸樣品的疲勞裂紋源已移到樣品內(nèi)部，有助于抑制疲勞裂紋擴(kuò)展。