噴丸處理對一種第二代單晶高溫合金組織行為的影響

徐盛峰 牛建平

摘 要：對經(jīng)標準熱處理后的第二代鎳基單晶高溫合金試樣在不同壓力條件下的進行了噴丸處理，噴丸壓力分別為1MPa，2MPa，3MPa，4Mpa，5MPa，6Mpa。760°C、1100°C溫度下熱處理1h，經(jīng)固溶處理后采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope簡稱SEM）研究顯微組織變化規(guī)律。結(jié)果表明，1～6MPa不同壓力的噴丸條件均在試樣熱處理后的表面均產(chǎn)生了影響，影響區(qū)域深度隨著噴丸壓力的增大而依次加深，但形成速率減慢，其增加速率與噴丸壓力并非是簡單的正向線性關(guān)系。熱處理溫度比噴丸壓力對影響生長速率和厚度的影響更加明顯。

關(guān)鍵詞：單晶高溫合金;噴丸影響區(qū)域;顯微組織;噴丸;固溶處理

前言

航空航天使用的材料中，鎳基單晶高溫合金廣泛地應(yīng)用在飛機發(fā)動機渦輪葉片上。因為相比于其他基體的高溫合金，鎳基單晶高溫合金有更優(yōu)異的性能。原因是是它們在高溫下可以幾乎消除所有的晶界產(chǎn)生的不利影響[1-3]。然而，在制造和使用單晶高溫合金的過程中會受到外界應(yīng)力的作用發(fā)生塑性變形，近一步促進噴丸影響區(qū)域的形成。噴丸影響區(qū)域產(chǎn)生的可能性會隨著外界條件的不斷改變而提高或降低[4-7]。合金經(jīng)表面處理如噴丸等外力作用容易產(chǎn)生微觀變形，容易縮短單晶高溫合金的使用時長。國內(nèi)外學(xué)者對單晶高溫合金噴丸影響區(qū)域的產(chǎn)生研究有了一定的突破。衛(wèi)平[8]等研究了在高溫合金應(yīng)用過程中等一系列外界條件對其產(chǎn)生的影響，但計算形成噴丸影響區(qū)域后的單晶高溫合金表面的殘余應(yīng)力難度大，在實際應(yīng)用的過程中，研究應(yīng)力大小對單晶高溫合金噴丸影響區(qū)域的影響不可知。故本文利用在不同噴丸壓力和不同熱處理溫度下，研究在高溫合金使用期產(chǎn)生的外界條件對其的性能影響，防止其產(chǎn)生噴丸影響區(qū)域，對于指導(dǎo)單晶高溫合金的生產(chǎn)及應(yīng)用有較重要意義。本文章研究了新型第二代單晶高溫合金合金在不同噴砂壓力、不同固溶溫度下的顯微組織變化，研究了噴丸影響區(qū)域的深度隨噴砂壓力、固溶溫度的變化規(guī)律。通過觀察新型第二代單晶高溫合金鎳基單晶高溫合金表層噴丸影響區(qū)域的顯微組織，初步分析了噴丸影響區(qū)域隨噴砂強度及固溶溫度的變化規(guī)律。

1實驗合金及制備方法

實驗合金選用的是某種第二代鎳基單晶高溫合金，其成分如表1所示。對鑄態(tài)單晶棒（新型第二代單晶高溫合金）沿棒的圓弧側(cè)進行線切割，得到尺寸合適的熱處理試樣。把熱處理試樣封入石英管進行真空處理。標準熱處理制度為（1280℃/2h+1300℃/4h AC，1100℃/5h AC，850℃/16h AC）。對熱處理后的試樣進行噴丸處理，噴丸壓力依次為1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，噴丸時間為60s，丸粒為鋼玉砂，噴丸機器槍頭與試樣的距離為20cm。對經(jīng)噴丸處理后的樣品分別進行760℃和1100℃的固溶處理。再對經(jīng)噴丸處理和熱處理的樣品利用金相鑲嵌機熱鑲成尺寸為Ф22mm的樣品，經(jīng)金相處理后觀察合金的組織。合金試樣的腐蝕液為 HCl（20ml）+CuSO4（5g）+H2O（100ml）。采用掃描電子顯微鏡觀察不同條件下合金的噴丸影響區(qū)域組織。

2實驗結(jié)果及分析

2.1未受噴丸影響區(qū)域的熱處理態(tài)組織

圖1為單晶高溫合金新型第二代單晶高溫合金熱處理態(tài)試樣在腐蝕后在掃描電子顯微鏡下觀測到的顯微組織，可以觀察到有大量的立方體γ'相與γ相組成的顯微組織。可以明顯地看到單晶高溫合金新型第二代單晶高溫合金熱處理試樣的顯微組織在整個界面上排列規(guī)則，尺寸大小相近，位置均勻分布。

圖2（a）、（b）為經(jīng)噴丸處理后的熱處理態(tài)試樣在腐蝕后經(jīng)掃描電子顯微鏡下觀察到的顯微組織?？梢杂^察到噴丸影響區(qū)內(nèi)的γ'相均發(fā)生形變，由規(guī)則狀的顯微組織結(jié)構(gòu)變得不規(guī)則，且變形程度從表面向內(nèi)部逐漸變小，但直到內(nèi)部γ'相依然是規(guī)則狀的組織顯微結(jié)構(gòu)。經(jīng)圖（a）、（b）對比可觀察出經(jīng)噴丸處理后，隨著噴丸壓力的增加，噴丸影響區(qū)域影響區(qū)深度越深。γ'相受影響的區(qū)域越深。

2.2熱處理態(tài)噴丸影響區(qū)域掃描組織分析

圖3（a）、（b）分別為5MPa，經(jīng)60s噴丸后的試樣經(jīng)760℃/1h、1100℃/1h不同的固溶處理后試樣邊緣和內(nèi)部的顯微組織。在此噴丸條件下可以觀察到明顯存在噴丸影響區(qū)域，噴丸影響區(qū)域影響區(qū)的深度隨著固溶處理溫度的升高而加大。影響區(qū)的面積與固溶處理的溫度有關(guān)。由于單晶高溫合金內(nèi)部元素偏析，不同的晶粒與晶粒之間的溶質(zhì)成分到達了共晶的條件，便析出大量的共晶相，同時由于單晶高溫合金內(nèi)部元素的濃度差異而產(chǎn)生的擴散效應(yīng)，析出的共晶相尺寸大小狹長[9]。噴丸影響區(qū)域?qū)Ω邷睾辖鸬牧W(xué)力學(xué)性能以及今后的使用過程中會產(chǎn)生不利的影響，因此在單晶高溫合金試樣熱處理的過程中，應(yīng)選擇合適的固溶溫度對合金進行處理，避免產(chǎn)生對單晶高溫合金性能的不利影響。

影響區(qū)域深度的計算是在合金產(chǎn)生的噴丸影響區(qū)域區(qū)域隨機選取3個位置的垂直深度，求平均值來代表影響區(qū)的深度。不同的噴丸壓力、不同熱處理溫度后影響區(qū)的深度如表2所示。由表2可知，影響區(qū)域的深度隨著噴丸壓力和熱處理溫度的增大而加深;在同樣熱處理溫度下，噴丸壓力越大，影響區(qū)域的深度越深;在同樣噴丸壓力作用下，熱處理溫度越高，影響區(qū)域的深度越深。噴丸壓力和熱處理溫度為噴丸影響區(qū)域的形成提供了能量。但隨著噴丸壓力和熱處理溫度的逐漸增加，影響區(qū)域的深度加深的速率變得緩慢，噴丸影響區(qū)域影響區(qū)對內(nèi)部的γ'相的影響較為困難，呈現(xiàn)的并非是簡單的正向線性關(guān)系。

2.3影響區(qū)域組織觀察及分析

在高倍電子掃描顯微鏡下觀察熱處理溫度為1100℃、噴丸壓力為5MPa的噴丸影響區(qū)域組織形貌，影響區(qū)域處的組織形貌如圖4所示。其中，圖4（a）為影響區(qū)域和合金內(nèi)部的邊界，可明顯觀察出兩者的不同，圖4（b）可以觀察合金內(nèi)部交界處的晶粒排列密集。從邊緣到內(nèi)部尺寸逐漸增大。當固溶溫度較低時，無法提供給晶粒足夠的能量，晶粒不能溶解，缺少形成噴丸影響區(qū)域的重要條件。 由此證明了文獻中的觀點，對于含有大量γ'相粒子的單晶高溫合金，γ'相粒子的溶解是噴丸影響區(qū)域產(chǎn)生的重要條件[11]。圖4（c）、（d）為未發(fā)生噴丸影響區(qū)域區(qū)域內(nèi)部進一步觀察后的γ'相，此時的γ'相不呈現(xiàn)規(guī)則的立方狀，而是近似球狀形貌。γ'相的形貌發(fā)生變化的因素是外界應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變能和界面能。在較低的固溶溫度下，合金試樣中γ和γ'之間的錯配度較大，γ'相形貌主要取決于應(yīng)變能的作用，立方體具有小的應(yīng)變能，應(yīng)變能的降低促進γ'相長大呈規(guī)則的立方塊形貌[12]。在較高熱處理溫度下，γ和γ'之間的錯配度較小，但在此條件下界面能起主要作用，γ'相不再是立方塊形貌。

3結(jié)論

（1）在固溶溫度760℃、1100℃條件下，鎳基單晶高溫合金新型第二代單晶高溫合金噴丸影響區(qū)域深度隨著噴丸強度、溫度的增加而增大。（2）對于單晶高溫合金新型第二代單晶高溫合金固溶處理的溫度比噴丸強度對噴丸影響區(qū)域的影響更加顯著。（3）試樣經(jīng)噴丸后固溶處理，影響區(qū)內(nèi)γ'相的形狀發(fā)生明顯的變化，但合金內(nèi)部未受影響區(qū)γ'相仍組織均勻。（4）鎳基單晶高溫合金新型第二代單晶高溫合金噴丸影響區(qū)域深度與噴丸壓力和熱處理溫度并非呈簡單的正向線性關(guān)系。

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