振動時效消除GH4169合金輾擴成形環(huán)件的殘余應(yīng)力的試驗研究

楊艷慧， 趙興東, 劉 東， 牛關(guān)梅， 蘇理瑤， 呂 楠

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072； 2. 沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043; 3.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102209)

振動時效消除GH4169合金輾擴成形環(huán)件的殘余應(yīng)力的試驗研究

楊艷慧1， 趙興東2, 劉 東1， 牛關(guān)梅3， 蘇理瑤1， 呂 楠1

(1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072； 2. 沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043; 3.中鋁科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102209)

對輾擴成形的GH4169合金環(huán)件進行振動時效處理試驗，采用X射線法測試并比較振動前后環(huán)件內(nèi)的殘余應(yīng)力大小及變化情況，提出殘余應(yīng)力消除率計算公式并對振動效果進行評價。結(jié)果表明，試驗工藝對環(huán)件端面徑向和周向殘余應(yīng)力的正應(yīng)力分量σr和σθ、以及壁面上周向殘余應(yīng)力的正應(yīng)力分量σθ有消減作用，其消減率為10%～20%；試驗工藝不能消減環(huán)件壁面上周向殘余應(yīng)力的正應(yīng)力分量σθ。

振動時效；殘余應(yīng)力；GH4169合金；環(huán)件

隨著航空發(fā)動機推重比不斷提高，一方面發(fā)動機裝配間隙尤其是葉尖間隙(包括葉尖與機匣的間隙以及動、靜葉片的間隙)越來越小，機匣、葉片等零件的尺寸穩(wěn)定性要求越來越高；另一方面，機匣類零件的設(shè)計結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、尺寸越來越大、壁厚也越來越薄，機匣零件的截面剛度降低，零件在機加工過程及使用過程中的變形問題越顯突出[1]。已有研究表明[2-3]，毛坯鍛件初始殘余應(yīng)力的釋放和重分布是零件加工和使用過程中變形的重要原因之一。因此，GH4169合金環(huán)件作為航空發(fā)動機機匣類零件的主要毛坯鍛件，其殘余應(yīng)力的消除是保證零件尺寸穩(wěn)定，提高發(fā)動機裝配精度、使用性能和可靠性的重要環(huán)節(jié)。

振動時效(Vibratory Stress Relief， VSR)處理是繼自然時效(Natural Stress Relief,NSR)和熱時效(Thermal Stress Relief,TSR)之后出現(xiàn)的一種通過振動使材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力得以松弛和減輕，從而使構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力降低、尺寸穩(wěn)定而達到時效的方法[4]。目前，振動時效在黑色金屬和鋁合金材料中的應(yīng)用較為廣泛,如對鑄鐵件、碳鋼焊接件、鋁合金中厚板等的振動時效處理,具有一定的去除殘余應(yīng)力的效果[5-6]。DJURIC等[7]通過巴克豪森噪聲試驗，振動時效后的艾美鋼Armox 500T焊接接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力發(fā)生較大變化。劉曉丹等[8]為控制波紋管端面變形，進行了波紋管振動時效試驗，結(jié)果表明，振動時效工藝消除膨脹波紋管殘余應(yīng)力效果明顯。沈華龍等即針對高強度鋁合金中存在的殘余應(yīng)力引起工件變形與尺寸不穩(wěn)定的問題，對高強度鋁合金厚板進行了振動時效處理，結(jié)果表明，雖然其殘余應(yīng)力降低程度較低，但時效后鋁板尺寸穩(wěn)定性得到很大提高。廖凱等[9]在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，振動時效通過消減鋁合金厚板內(nèi)的微區(qū)應(yīng)力，促使板內(nèi)部應(yīng)力均化，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定板形的目的。然而，振動時效技術(shù)仍然是門新技術(shù)，一方面，該技術(shù)的許多工藝方法尚處于探索階段；另一方面，該工藝在材料本身模量較大的高溫合金、鈦合金等材料中的應(yīng)用尚少見報道。

因此，本文針對輾擴成形的GH4169合金環(huán)件的振動時效工藝進行試驗研究，探索該工藝對環(huán)件內(nèi)殘余應(yīng)力的消除效果。

1 輾擴成形環(huán)件

試驗所用GH4169合金為撫鋼生產(chǎn)的Φ250 mm棒材(爐號為09242200261)，冶煉方法為真空感應(yīng)熔煉+真空自耗重熔，化學(xué)成分如表1所示。輾軋成形工藝過程為：鐓粗→沖孔→馬架擴孔，成形后的環(huán)件分別進行空冷和水冷。

表1 試驗用GH4169化學(xué)成分

2 振前模態(tài)諧響應(yīng)分析

振動時效方法消減殘余應(yīng)力的效果受工件自身形狀尺寸、裝夾方式、激振方向和激振頻率等有關(guān)。因此，本文在開始振動時效試驗前對不同尺寸GH4169合金環(huán)件進行有限元模態(tài)分析，分析采用的主要材料參數(shù)包括：密度8 240 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。模態(tài)分析得到環(huán)件壁厚分別為20 mm、10 mm和8 mm時對應(yīng)的諧響應(yīng)峰值頻率，如表2所示。從表2可以看出，隨著環(huán)件壁厚減薄諧響應(yīng)峰值頻率逐漸降低；另外，相同壁厚的環(huán)件軸向激勵時的諧響應(yīng)頻率低于徑向激勵的諧響應(yīng)峰值頻率。

表2 GH4169環(huán)件的諧響應(yīng)分析結(jié)果

3 振動時效試驗

圖1 振動時效裝置及裝夾方式示意圖Fig.1 Vibration system and specimen clamp

采用圖1所示的振動裝置對GH4169合金環(huán)件進行振動時效試驗。時效時，采用一端全約束裝夾方式，并于環(huán)件另一端施加軸向/徑向激振力，激振力大小為75 N。為了對比時效效果，前三次振動采用了徑向振動，此時對應(yīng)的諧響應(yīng)峰值頻率>1 500 Hz(見表2)；每次振動時激振頻率逐漸增加，但受現(xiàn)有設(shè)備的能力(只能在低頻1 000 Hz內(nèi)進行振動時效)最高激振頻率均<1 000 Hz；最后一次振動則采用了軸向激勵，最高激振頻率578 Hz，接近其諧響應(yīng)峰值頻率(參見表2)。激振頻率及其振幅等參數(shù)如表3所示，表3中每個激振頻率下的振動時間均為10 min。從表3可以看出，整個振動時效分為4次振動，其中，第二次振動開始前，將環(huán)件翻面并繞中心軸轉(zhuǎn)動90°。

表3 振動時效主要工藝參數(shù)

為了評估試驗環(huán)件振動時效消除應(yīng)力的效果，對激振前和每次激振后的環(huán)件進行了殘余應(yīng)力測試。環(huán)件端面測試點記為A1、A4和A7，位于環(huán)件壁厚1/2處；壁面測試點記為B1、B2、B3和B4，位于環(huán)件高度的1/2處；測試點編號下標標示了各測試點的相對位置，即編號每增加1表示測試點沿環(huán)件周向瞬時針旋轉(zhuǎn)45°。另外，每個測試點均測量兩次，且環(huán)件端面各測試點的測試方向分別為徑向(r)和周向(θ)；壁面各測試點的測試方向分別為軸向(Z)和周向(θ)，不同方向測得的殘余應(yīng)力的正應(yīng)力分量分別記為σr、σθ和σZ，見圖2。殘余應(yīng)力測試設(shè)備為加拿大PROTO公司的LXRD2000 X射線殘余應(yīng)力分析儀，測試參數(shù)列于表3。為了提高測試精度，每次測量時分別采用0°、15°、30°和45°的投射夾角分別進行測量，并將其結(jié)果的平均值作為最終測量結(jié)果。

圖2 殘余應(yīng)力測試位置及方向示意圖Fig.2 Schematic drawing of testing location and orientation

參數(shù)數(shù)值靶材Mn＿K?Alpha布拉格角/(°)151．88X射線發(fā)射管電壓/kV25．00衍射晶面(311)X射線發(fā)射管電流/mA20

4 測試結(jié)果

為了考察環(huán)件每次振動后殘余應(yīng)力變化情況，表4列出了測試點不同方向上殘余應(yīng)力的正應(yīng)力分量σ的數(shù)值及其極差R的變化情況，并采用陰影和下劃線的方式標示出了各測試點殘余應(yīng)力分量絕對值及其極差的最大和最小值，其中，極差R定義為：端面/壁面上各測試點中殘余應(yīng)力σ最大與最小值之差

R=σmax-σmin

(1)

環(huán)件端面或壁面的殘余應(yīng)力極差可在一定程度上體現(xiàn)環(huán)件測試面內(nèi)的殘余應(yīng)力分布的均勻程度，即極差越大，殘余應(yīng)力分布越不均勻；反之,極差越小，殘余應(yīng)力分布越均勻。

由表4可知，對于環(huán)件端面三個測試點，殘余應(yīng)力(σr和σθ)絕對值及其極差(R)最大值大多出現(xiàn)在振前，最小值則出現(xiàn)于振動時效過程，即振動時效時殘余應(yīng)力有不同程度消減；而對于環(huán)件壁面四個測試點，殘余應(yīng)力(σZ和σθ)絕對值及其極差最大值大多數(shù)出現(xiàn)于第二次或第三次振動后，尤其B3和B4測試點的σθ絕對值最小值均出現(xiàn)于振前，即振動時效不但無法使σθ絕對值消減，反而使其繼續(xù)增大。由此可初步判斷，端面上三個測試點的殘余應(yīng)力消除效果較壁面明顯。

表4 測試點的殘余應(yīng)力

為了進一步考察振動時效對GH4169合金環(huán)件殘余應(yīng)力的消除效果，圖3給出了各測試點振動時效前與每次振動后殘余應(yīng)力值及其極差的對比和殘余應(yīng)力消除率與振動次數(shù)的關(guān)系。圖中，殘余應(yīng)力消除率的計算方法為

(2)

式中:σ0為振前的殘余應(yīng)力數(shù)值；σi為第i次振動后的殘余應(yīng)力數(shù)值。

同樣，采用與式(2)的形式計算R的變化率

(3)

式中:R0為振前的極差數(shù)值；Ri為第i次振動后的殘余應(yīng)力極差數(shù)值。

由圖3可以看出，對于端面各測試點：除A4點處的σθ絕對值隨振動時效呈先增大后減小的變化趨勢外，端面上其余各測試點的殘余應(yīng)力絕對值在四次振動過程中均較振前數(shù)值發(fā)生不同程度減小，即四次振動均為有效振動，且殘余應(yīng)力消除率大多保持在10%～20%；其中，A1點的σθ值在第二次振動時趨于0，其消除率接近100%。另外，從圖3(b)可以看出，A4點處的σθ的消除率為負值，且第一次振動后期消除率即達到-1 689%，其原因是該點的σθ在振動時效前即很小只有1.9 MPa，在時效過程中σθ發(fā)生不同程度波動，波動范圍為-132～ 34 MPa。因此，應(yīng)用本文中提出的殘余應(yīng)力消減率的計算公式對振動時效進行評價時，應(yīng)結(jié)合具體的殘余應(yīng)力數(shù)值。

圖3 振動時效前后殘余應(yīng)力及其極差對比和殘余應(yīng)力消除率隨振動次數(shù)的變化曲線Fig.3 Comparison of residual stress before and after VSR and elimination ratio change with VSR times

由圖3(c)和圖3(d)給出的環(huán)件壁面各測試點殘余應(yīng)力消除率隨振動次數(shù)的變化曲線可以看出，壁面各點殘余應(yīng)力消除率出現(xiàn)了不同大小的負值，說明其殘余應(yīng)力不但沒有消減反而變大(參見圖3(c)和圖3(d)中的殘余應(yīng)力柱形圖)；并且，壁面各點的殘余應(yīng)力消除率曲線基本呈現(xiàn)以第二次振動為中心的對稱分布形式；另外，σZ和σθ的變化規(guī)律是相反的，比如，B1和B2點處σZ在第二次振動時的消除率最低，但兩點處的σθ消除率卻最高，又比如B3點處σZ消除率最高，而改點處σθ消除率最低。

從圖3可以給出的環(huán)件端面和壁面上殘余應(yīng)力極差的消除率變化曲線可以看出，端面殘余應(yīng)力極差在振動時效過程中發(fā)生了消減，消除率為10%～20%；并且σr和σθ的極差消除率隨振動次數(shù)的變化規(guī)律一致；隨振動次數(shù)的增加壁面殘余應(yīng)力極差消除率先減小后增加，σz和σθ極差在第四次振動后分別消除了15%和35%。

5 結(jié) 論

應(yīng)用X射線法對外徑100 mm、壁厚8 mm的GH4169合金環(huán)件振動時效前后殘余應(yīng)力進行了測量和對比。結(jié)果顯示：應(yīng)用文中給出的振動時效工藝，可適當(dāng)消減環(huán)件端面的殘余應(yīng)力，σZ和σθ的消除率為10%～20%；壁面上σZ的消除率也可達到10%左右，但σθ不能得到消減；可消減端面和壁面上的殘余應(yīng)力極差，其中，端面殘余應(yīng)力極差消除率為10%左右，壁面上σz和σθ極差在第四次振動后分別消除了15%和35%。

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Vibratory stress relief of rolling formed GH4169 alloy ring

YANGYanhui1,ZHAOXingdong2,LIUDong1,NIUGuanmei3,SULiyao1,LüNan1

(1.School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2.Shenyang Liming Aero-engine Co., Ltd., Shenyang 110043,China； 3.Chinalco Research Institute of Science and Technology, Beijing 102209, China)

The vibratory stress relief (VSR) of a rolling formed GH4169 alloy ring was carried out. The residual stress measurements were performed on the ring surface using a standard X-ray diffraction before and after VSR. A formulation calculating the elimination ratio of residual stress was proposed. The results indicate that normal components of residual stressesin radial and circumferential directions on the end surface and those in axial direction on inner surface of the ring are relaxed about 10%-20%; however, the normal residual stresse in axial direction on inner surface of the ring isn’t weakened.

vibratory stress relief; residual stress; GH4169 alloy; ring

國家自然基金(51504195)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20126102120022);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(3102015BJ2MZ20)

2015-11-02 修改稿收到日期：2016-03-31

楊艷慧 女，博士，講師，1979年生

TH113.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.04.017