GH4133 鎳基高溫合金是以鎳-鉻固溶為基， γ′[Ni 3 (Al,Ti,Nb)]為主要強(qiáng)化相的時(shí)效硬化型合金， 該合金具有良好的綜合性能， 晶粒均勻細(xì)小， 屈服強(qiáng)度高，易于熱加工成形， 適合于制造溫度在 750 ℃以下航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤和葉片等重要部件。 采用 GH4133 鎳基高溫合金制備的部件在實(shí)際使用過程中， 由于振動(dòng)疲勞引起的部件疲勞斷裂， 嚴(yán)重影響其使用的安全和可靠性。 由于疲勞裂紋通常發(fā)生在表面， 為了改善部件的表面性能， 提高抗疲勞性能， 常采用表面強(qiáng)化技術(shù)對材料進(jìn)行改性， 研究表明， 激光沖擊強(qiáng)化（laser shockpeening， LSP） 是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)， 可以細(xì)化材料表層組織， 在表層殘留較大的殘余壓應(yīng)力， 明顯提高其疲勞壽命。 其原理為： 短脈沖(幾十納秒)的高峰值功率密度(＞109 W/cm 2 )的激光輻照金屬表面， 使金屬表面涂覆的吸收保護(hù)層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(＞1GPa )的等離子體沖擊波， 沖擊波的力效應(yīng)使表層材料微觀組織發(fā)生變化， 在較深的厚度上殘留壓應(yīng)力， 從而顯著提高金屬材料抗疲勞、耐磨損和防應(yīng)力腐蝕等性能。

采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)提高

GH4133 鎳基高溫合金的疲勞性能， 但由于該合金的實(shí)際工作溫度較高， 而在高溫的作用下， GH4133 鎳基高溫合金的激光沖擊強(qiáng)化效果的穩(wěn)定性尚不清楚， 目 前， 國內(nèi)未見相關(guān)報(bào)道。因此本實(shí)驗(yàn)研究激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金及溫度作用下微觀組織和殘余壓應(yīng)力分布， 探討激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度影響下的熱穩(wěn)定性， 為實(shí)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在 GH4133 鎳基高溫合金部件上的工程應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為 GH4133 鎳基高溫合金, 成分如表 1。

為了對比研究溫度對激光強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金的穩(wěn)定性影響， 設(shè)計(jì)了 3 種不同表面狀態(tài)， 分別是： 第 1 組： 未處理試樣； 第 2 組： 將試樣進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理； 第 3 組： 將試樣進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理后在 500 ℃下保溫 1 h。

上海鋼澤合金集團(tuán)有限公司

為了保證激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波對材料的作用效果， 首先對 GH4133 鎳基高溫合金所需的激光功率密度進(jìn)行估算。 其方法是： 根據(jù) GH4133 鎳基高溫合金的Hugoniot 彈性極限（HEL），提出沖擊波峰值壓力與激光功率密度的關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式估算引起材料動(dòng)態(tài)塑性變形所需的功率密度； 然后根據(jù)激光功率密度和能量關(guān)系公式換算出激光能量范圍。

式中， P 為沖擊波峰值壓力(GPa)， α 是效率系數(shù)， A 為吸收率， 約束層為水、 吸收層為膠帶的情況下 α=0.24，A=0.87； Z為水和膠帶折合阻抗， 即 2/Z=1/Z 膠帶 +1/Z 約束層 ，可得 Z=0.908× 10 6 g·cm -2 ·s -1 ； I 為激光的輸出功率密度(GW/cm 2 )。

I=E/τS (2)

式中，E為激光器輸出能量（J），τ為激光脈沖（ns），S為光斑面積（cm2）。

GH4133鎳基高溫合金材料室溫性能： σ Y =878MPa， σ b =1221 MPa。 計(jì)算采用的激光功率密度范圍為4.29 GW·cm -2 ， 本 GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強(qiáng)化采用 Nd:YAG 固體激光器， 其工藝參數(shù)為： 激光波長1064 nm， 激光能量 10.8 J， 脈寬 20 ns， 光斑直徑 4 mm，搭接率 66%。 約束層為水， 吸收保護(hù)層采用鋁箔。

保溫試驗(yàn)采用真空保溫爐， 將試件放入箱式爐中，在500 ℃的溫度下保溫1h。

金相組織測試采用

NEOPHOT-21 型金相顯微鏡；利用 Quanta200 掃描電鏡觀察強(qiáng)化前、 強(qiáng)化后保溫試樣橫截面的形貌； 顯微硬度測試設(shè)備為 MVS-1000JMT2顯微硬度計(jì)， 載荷為 200 g、 加載時(shí)間為 15 s。 殘余應(yīng)力測試采用 X-350A型 X射線應(yīng)力儀對試樣的表面和截面應(yīng)力分布進(jìn)行測試。 疲勞試驗(yàn)采用高溫疲勞試驗(yàn)裝置， 試驗(yàn)溫度為 500 ℃。

高溫疲勞性能

對未強(qiáng)化、強(qiáng)化 2 種狀態(tài)試樣在相同條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)， 按威布爾概率分布模型進(jìn)行擬合， 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理， 其結(jié)果如表 2 所示。

從表 2 中可知。 GH4133 鎳基高溫合金試樣不同狀態(tài)的疲勞壽命分別為： 原始試樣為1.12× 10 5；激光沖擊強(qiáng)化后在500℃溫度下的疲勞壽命為2.62× 105 ， 是未處理試樣的 2.34倍。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下仍能顯著提高其安全壽命， 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金在 500 ℃仍具有很好的熱穩(wěn)定性。

微觀組織熱穩(wěn)定性分析

不同狀態(tài)激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金的截面微觀組織如圖 1 所示， 從圖中可以看出， GH4133 合金基體組織由等軸晶組成（圖 1a）， 晶粒較大， 在 100~400μm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金其微觀組織是在 γ奧氏體基體上分布著許多細(xì)小而均勻的 γ’沉淀強(qiáng)化相，以及變形和強(qiáng)化過程產(chǎn)生的大量細(xì)化的晶粒和孿晶組織（圖 1b）。 相比于激光沖擊強(qiáng)化試樣， 在 500 ℃下保溫 1 h 后的 GH4133 鎳基高溫合金的微觀組織如圖 1c、1d、 1e 所示， 由于溫度的作用， 激光沖擊強(qiáng)化引起的塑性變形形成了大量孿晶組織和細(xì)小晶粒未發(fā)生長大，晶界更加清晰， 組織更加均勻的分布， 并在 10000 倍下（圖 1e）， 在晶界上析出大量細(xì)小， 均勻分布的析出相，因?yàn)?GH4133 變形高溫合金的 γ’在 500 ℃開始析出，M 23 C 6 需要在 600 ℃析出 ， 因此可以知道析出相為 γ’。

殘余應(yīng)力熱松弛分析

GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊保溫前后的殘余應(yīng)力如圖 2 所示。

從圖中可以看出， GH4133 鎳基高溫合金基體的殘余壓應(yīng)力在–59 MPa， 而經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后的殘余最大值為–381 MPa， 影響深度大于 0.8 mm， 而經(jīng)過 500 ℃保溫 1 h 處理后， 表層的殘余壓應(yīng)力為 302 MPa， 下降了 20%， 但保溫后 GH4133 鎳基高溫合金的殘余壓應(yīng)力仍高于基體的值， 影響深度大于 0.8 mm， 且隨著距表面深度的增加， 殘余壓應(yīng)力梯度減緩， 深度影響較小。

顯微硬度分析

GH4133 鎳基高溫合金不同狀態(tài)的截面顯微硬度如圖 3 所示。 從圖中可以看出， 未處理試樣的顯微硬度在 4500 MPa 左右， 而經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后顯微硬度達(dá)到 5700 MPa， 明顯高于基體的顯微硬度值， 影響深度達(dá)到 2 mm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金經(jīng)過保溫處理后， 表面硬度值高于激光沖擊后試樣的硬度值， 達(dá)到 5900 MPa， 影響深度仍能達(dá)到2mm。

組織細(xì)化的影響

由圖 1 可知， 激光沖擊強(qiáng)化過程產(chǎn)生的等離子體沖擊波使 GH4133 鎳基高溫合金的表面組織細(xì)化， 形成大量的孿晶， 對提升材料的抗疲勞具有重要作用。

GH4133 鎳基高溫合金有等軸晶構(gòu)成， 晶內(nèi)有退火孿晶貫穿整個(gè)晶粒， 激光沖擊強(qiáng)化后保溫處理， 相當(dāng)于低溫形變熱處理， 使得激光沖擊強(qiáng)化冷變形過程形成的晶粒被拉長， 形成細(xì)條狀， 產(chǎn)生形變孿晶， 晶粒細(xì)化， 形成加工硬化， 提高材料表層的顯微硬度；由于變形的不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 當(dāng)變形量很大時(shí)，這些組織結(jié)構(gòu)的變化使高溫合金強(qiáng)度增加， 塑性下降，這種不穩(wěn)定狀態(tài)不能直接使用， 在500 ℃保溫處理后，除機(jī)械孿晶外， 通過原子擴(kuò)散發(fā)生回復(fù)， 使晶格扭曲減輕， 減小內(nèi)應(yīng)力， 通常析出主要強(qiáng)化相或其他析出相（γ’相 Ni 3 X）。 這些相優(yōu)先在冷加工變形的各種缺陷或高能位置形核， 所以析出相更加細(xì)小均勻（圖 1e），強(qiáng)化效果更好， 同時(shí)釘扎在晶界及亞晶界上塊狀析出，使得激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理后， 合金保持組織穩(wěn)定性。因此， 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133鎳基高溫合金在 500 ℃以下可以長期使用。

另一方面材料的疲勞性能與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要包括晶粒尺寸、 亞晶粒尺寸、 晶體晶格畸變（微觀應(yīng)力） 等。 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金使得晶粒尺寸減小， 數(shù)量增多， 晶界增多可以提高滑移變形抗力， 增加裂紋擴(kuò)展的晶界阻力， 同時(shí)抑制裂紋的萌生，有效阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展。

殘余應(yīng)力場的影響

由圖 2 可知， 經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后 GH4133 鎳基高溫合金材料表層產(chǎn)生了深度大于 0.8 mm 的殘余壓應(yīng)力場， 表面殘余壓應(yīng)力可達(dá) 381 MPa， 經(jīng)過保溫處理后，激光沖擊強(qiáng)化過程在材料表層形成的殘余壓應(yīng)力部分釋放， 但仍有較高的殘余壓應(yīng)力殘留在材料表層， 而且在溫度的作用下殘余壓應(yīng)力沿深度方向的梯度減緩， 使得殘余壓應(yīng)力分布更加的均勻， 且分布深度大于 0.8mm。 這一點(diǎn)在顯微硬度沿深度的分布中得到同樣的結(jié)果， GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強(qiáng)化后保溫的顯微硬度值增加的深度大于 0.8 mm。

由于材料的疲勞性能與殘余應(yīng)力有關(guān)， 殘余應(yīng)力在疲勞載荷中起著平均應(yīng)力的等效作用， 殘余壓應(yīng)力相當(dāng)于負(fù)的平均殘余應(yīng)力， 它能提高工件的抗疲勞強(qiáng)度； 殘余拉應(yīng)力相當(dāng)于正平均應(yīng)力， 它降低了工件的抗疲勞強(qiáng)度。 殘余壓應(yīng)力增大， 可顯著提高材料的疲勞性能， 抑制裂紋的萌生， 延長疲勞壽命。

因此， 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下， 殘余壓應(yīng)力部分釋放， 沿深度方向的梯度減緩，與細(xì)化晶粒、 變形孿晶、 析出相共同作用， 強(qiáng)化效果仍發(fā)揮作用， 具有很好的熱穩(wěn)定性， 有利于提高 GH4133材料的疲勞性能。

結(jié) 論

1) 在 500 ℃溫度作用下， 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133鎳基高溫合金產(chǎn)生的細(xì)化晶粒未發(fā)生長大， 析出相細(xì)小均勻， 強(qiáng)化效果更好， 釘扎在晶界及亞晶界上， 使得激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理后， 合金保持組織穩(wěn)定性。

2) 在500 ℃溫度作用下， 激光沖擊強(qiáng)化后 GH4133合金產(chǎn)生的表層殘余壓應(yīng)力有部分釋放， 下降了 20%，但分布的深度大于 0.8 mm。 而顯微硬度值比保溫前增加， 且影響深度仍超過 0.8 mm。

3) 激光沖擊強(qiáng)化后在 500 ℃溫度下的疲勞壽命為2.62×10 5 ， 是原始試樣的 2.34 倍。

4) 激光沖擊強(qiáng)化 GH4133 鎳基高溫合金熱穩(wěn)定性由兩部分組成: 一方面， 在溫度作用下， 激光沖擊強(qiáng)化的微觀組織的晶粒細(xì)化、 大量變形孿晶及晶界析出相，使得微觀組織具有良好的穩(wěn)定性； 另一方面， 殘余壓應(yīng)力等在溫度作用下部分釋放， 梯度減緩， 穩(wěn)定性好。 這兩者共同作用提高了 GH4133 的疲勞性能。