激光沖擊強化對K4030高溫疲勞性能影響

羅思海，周留成，何衛鋒，王學德，賴志林

(空軍工程大學等離子體動力學重點實驗室，陜西西安710038)

1 引言

航空發動機部件高周疲勞斷裂，是發動機研制和使用中的疑難問題［1－2］。某型航空發動機二級高壓渦輪葉片榫頭伸根段轉接R處過渡圓角較小，在其服役期間，該處曾發生過多起疲勞斷裂故障，嚴重影響飛行安全。由于疲勞裂紋通常發生在表面，為了改善部件的表面性能，提高抗疲勞性能，常采用表面強化技術對材料表面進行改性，研究表明，激光沖擊強化(laser shock peening，簡稱LSP)是一種很有效的表面強化技術，其原理是利用激光誘導產生的高壓沖擊波的力學效應作用在金屬件表層，使材料表層微觀組織發生細化并在較深厚度上殘余壓應力，從而達到提高其疲勞強度和壽命的目的，有效解決了航空發動機服役過程中的高周疲勞斷裂問題，得到廣泛研究［3－10］。采用激光沖擊強化技術提高K4030鎳基高溫合金的疲勞性能，但由于K4030合金的實際工作溫度較高，而在高溫的作用下，K4030的激光沖擊強化效果的穩定性研究較少。

本文模擬了K4030在航空發動機部件上的高溫工作環境，通過設計的高溫高低周疲勞實驗在高溫服役環境下激光沖擊強化對K4030疲勞性能影響進行了研究，探討了殘余壓應力和硬度的熱穩定性。

2 試驗材料和方法

2．1 試驗材料和方法

某些航空發動機渦輪葉片材料K4030為沉淀強化鑄造鎳基高溫合金，其主要組成是γ固溶體、γ'強化相、γ－γ'共晶、MC碳化物，其中γ'相占合金重量的57%左右，碳化物約占合金重量0．9%。其化學成分如表1所示。

表1 K4030合金的化學成分(%)Tab．1 Composition of K4030 nickel based alloy(%)

激光沖擊強化實驗采用Nd∶YAG固體激光器，波長為1064 nm，激光能量為4．8 J，光斑直徑為3 mm，脈寬為 20 ns，功率密度為 3．4 GW/cm2，沖擊次數為1/2/3次，搭接率為60%。激光沖擊的保護層選擇鋁箔，水為約束層。保護層的存在為了保護金屬材料表面不被激光直接燒蝕，同時也為了更好的與激光能量耦合。水約束層是為了約束激光輻照產生的高溫等離子體的擴散，提高沖擊波壓力［11］。

2．2 測試方法

試件表層殘余應力測試是采用X－350A型X射線應力測試儀，測量方法采用側傾固定Ψ法;輻射為Mn靶，衍射晶面Ti{311}晶面，2θ角掃描150°～155°，掃描步距為 0．1°，每 5 s一步;X 光管高壓和電流分別為30 kV和7 mA;準直管直徑Φ=2 mm，測試誤差△σ為±25 MPa。測量截面殘余應力分布時需要通過電解拋光(腐蝕溶液為:24%HNO3+14%HF+62%H2O(體積比)，腐蝕速率:1 cm2面積0．2～0．5μm/s)逐層減薄后再進行測試，在每個測試深度上隨機測試2個點，其平均值即認為此深度上的殘余應力值。采用MVS－1000 JMT2型顯微維氏硬度計測量截面硬度，測量載荷為200g，保壓時間10 s，測量3～5個點取平均值。

3 高溫高低周復合疲勞性能

根據發動機實際工作環境，設計了K4030鎳基高溫合金渦輪葉片的高溫高低周疲勞實驗。選取了在實驗溫度510℃、振幅2．0 mm、振動應力326．5 MPa下的一組疲勞壽命數據，對其進行正態分布擬合，如圖1所示。激光沖擊強化有效提高了K4030渦輪葉片的高溫高低周疲勞壽命，在正態分布下樣件經激光沖擊強化處理后疲勞壽命為未沖擊的2．4倍。

圖1 渦輪葉片激光沖擊強化前后壽命Fig．1 Fatigue life of turbine blades before and after LSP treatment

4 硬度及其熱穩定性

硬度是材料的一個綜合的性能參數，表示金屬材料在一個小的體積范圍內抵抗彈性變形、塑性變形的能力。激光誘導的沖擊波在材料內部引起了超高應變率響應，誘導了表層強劇烈塑性變形，提高了材料的硬度［12］。在K4030鎳基合金渦輪葉片上進行不同參數激光沖擊強化，沖擊一次表面顯微硬度隨功率密度變化曲線如圖2所示。

圖2 顯微硬度隨功率密度變化曲線Fig．2 Micro hardness for the LSPwith different power density

K4030鎳基合金材料的基體硬度值約為385 HV0．2，激光沖擊強化處理后，材料表面硬度得到提高，在 2．8、3．4 和 4．3 GW/cm2條件下硬度分別提高11．4%、17．1%和 27．3%，隨著功率密度的提高，硬度隨著增大，但到一定程度會趨于飽和。同時，對功率密度為3．4 GW/cm2沖擊次數為1次的強化后樣品進行了截面硬度測試，如圖3所示。

圖3 激光沖擊K4030截面硬度曲線Fig．3 Micro hardness as a function of depth for the LSP

由圖3可知，激光誘導的沖擊波對材料的硬化影響深度超過0．8 mm。激光沖擊強化之所以能提高材料的硬度，主要是因為材料在沖擊波作用下，產生的高密度位錯在滑移面上運動遇晶界受阻而塞積，當位錯塞積引起的應力集中增加到一定程度，相鄰的晶粒被迫發生相應的滑移，引起塑性變形，發生晶粒細化。激光沖擊引起的高位錯密度和晶粒細化都會導致材料硬度提高［7］。沖擊波在材料內部傳播過程中發生衰減，壓力降低導致位錯密度降低，反映到硬度上，就是硬度隨深度增大而減小，直到沖擊波壓力衰減到不能引起原子間的畸變時，硬度值穩定在基體值附近。同時，對這組試樣500℃/60 min保溫進行了硬度熱穩定性實驗，結果如圖4所示。

圖4 500℃保溫后K4030材料截面顯微硬度變化Fig．4 Micro － hardness as a function of depth for the LSP after heat treatment

激光沖擊誘導的晶粒細化，增大了裂紋萌生閾值，增大了材料的疲勞強度，延緩了裂紋萌生與擴展，能有效提高材料疲勞性能［13－14］。由圖4可知，經過熱處理后，對應深度上硬度值都有所下降，但仍高于基體硬度值，且硬化層影響深度略有降低，說明激光沖擊強化引起的硬化效應具有良好的熱穩定性。這可能是與激光誘導的微觀組織變化具有很好的熱穩定性有著密切關系［8］，說明激光沖擊保溫后仍能提高材料的疲勞性能。

5 殘余應力場的熱穩定性

激光沖擊強化顯著提高金屬材料和構件疲勞強度的主要原因之一是在較深的表層內產生殘余壓應力。激光沖擊強化參數對殘余應力場分布有著直接的影響［15－17］。圖 5 為在功率密度為 3．4 GW/cm2時不同沖擊次數下的殘余應力沿深度分布情況。

圖5 1/2/3次沖擊下殘余應力隨深度變化曲線Fig．5 Residual compressive stress as a function of depth for the LSPwith 1/2/3 impacts

由圖5可知，激光誘導產生的沖擊波在K4030鎳基合金內部形成了較深的殘余壓應力，影響深度大于1 mm。隨著沖擊次數的增加，殘余壓應力幅值均有不同程度的增加，1、2、3次沖擊后表面殘余壓應力數值為625 MPa、823 MPa、856 MPa。沖擊2次比沖擊1次提升殘余壓應力幅值較為明顯，3次沖擊后，殘余壓應力趨向飽和，提升幅度小。這是因為隨著沖擊次數增加，材料表層加工硬化更加明顯，動態屈服強度也隨著增加，塑性變形更多困難。

K4030鎳基合金渦輪葉片工作溫度小于500℃，本文設計的疲勞實驗溫度為510℃，為研究激光沖擊強化后的鎳基合金殘余應力穩定性，設計了功率密度為3．4 GW/cm2的沖擊1次后樣品300℃、500℃和550℃保溫實驗，，并分別對三種溫度保溫后表面進行殘余應力測試，如圖6所示。

圖6 K4030合金激光沖擊強化后表面殘余應力釋放曲線Fig．6 Surface residual compressive stress relaxation curve of K4030 alloy annealed at different temperatures

由圖6可知，在渦輪葉片工作溫度條件下，激光沖擊強化產生的殘余應力部分釋放，500℃保溫后，只有16%殘余應力被釋放。溫度越高，殘余應力松弛越大，在550℃保溫后，54．5%殘余應力得到釋放。在高溫作用后，在K4030鎳基合金表面仍有一定數值殘余壓應力得到保持，對材料疲勞性能還有一定的提高。

激光誘導的微觀組織變化和殘余壓應力是影響疲勞性能的重要因素。殘余應力場的產生是因為材料內部發生塑性變形造成，產生晶格畸變。硬度提高主要因為塑性變形后位錯強化和晶粒細化造成，對于實際構件或葉片的工況而言，硬度的提高有助于抵抗外來物損傷，防止裂紋形成。由前期工作可知，鎳基鑄造高溫合金激光沖擊強化后在材料表層會發生晶粒細化，保溫后細化微觀組織具有很好的穩定性，表現為硬度的穩定［8］。在高溫服役條件下，激光沖擊誘導的微觀組織變化小，并且還殘余一定的壓應力，兩者相互影響，共同作用，提高材料的疲勞強度，延長部件服役壽命。

6 結論

本文研究了高溫服役下激光沖擊強化對K4030鎳基合金疲勞性能的影響，并從殘余應力和硬度的熱穩定性方面進行了討論，結論如下:

(1)激光沖擊強化在材料表層形成了大數值殘余壓應力，影響深度超高1．5 mm，殘余應力幅值和影響深度隨沖擊次數增加而變大。在550℃保溫下，殘余應力得到一定的松弛，但仍保持了一定數值殘余壓應力，對提高材料疲勞性能有效。

(2)激光沖擊強化引起的硬化現象具有良好的熱穩定性，熱作用并未明顯降低激光沖擊后材料的硬度和影響深度，反映出激光沖擊誘導的微觀組織變化有很好的穩定性，對材料疲勞性能的影響。

(3)高溫高低周疲勞試驗表明，激光沖擊后疲勞壽命是未沖擊的2．4倍，熱作用并未降低激光沖擊強化提高K4030鎳基合金渦輪葉片疲勞性能效果。熱松弛后的殘余壓應力和晶粒細化的是疲勞性能提高的主要原因。

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