喷丸强化对GH4169合金孔结构高温低周疲劳性能的影响

螺栓结构是航空发动机盘件的重要连接结构,但服役时存在结构应力集中的螺栓孔结构受到大载荷作用,容易发生疲劳失效。根据高压压气机盘螺栓孔结构设计中心孔板材疲劳试样,对中心孔板材疲劳试样进行喷丸强化,研究了原始、高强度和低强度喷丸工艺等3种状态下表面粗糙度和残余应力场,并表征了3种状态下的高温低周疲劳性能。结果表明:相比铰孔状态,大强度的喷丸工艺使孔壁表面粗糙度显著增大,并且在倒角区域出现喷丸塑性流动金属的堆积,虽然引入了深度较大的残余压应力场,但仍然使得疲劳性能有所降低;小强度喷丸后疲劳性能有所提高但分散度增大。通过断口可以看出,原始和小强度喷丸后疲劳源萌生在孔壁处,呈多源疲劳断口;大强度喷丸后疲劳源萌生在孔边倒角区域,为单源断口。     

喷丸与振动光饰复合处理对GH4169高温合金疲劳性能的影响

对比研究了喷丸和喷丸与振动光饰复合处理对GH4169高温合金疲劳性能的影响,利用扫描电子显微镜、粗糙度仪、显微硬度计、X射线应力测试仪分析和测试了试样的表面形貌、表层组织、粗糙度、显微硬度、残余应力场,探讨了表面完整性与疲劳性能的内在联系及作用机制。结果表明:复合处理对GH4169高温合金疲劳性能的改善效果比单独喷丸强化处理更好;复合处理使GH4169高温合金的室温疲劳强度提高了21.6%;500℃预加热100 h处理使复合强化GH4169高温合金疲劳强度降低了6%,但仍较未喷丸处理状态提高了14.29%,即复合处理能够有效改善GH4169高温合金室温～500℃高温工况下的抗疲劳性能。     

喷丸对一种单晶合金表面完整性和高温缺口疲劳性能的影响

研究了喷丸后单晶合金的表面完整性和高温缺口疲劳性能。喷丸后表面形貌采用白光干涉仪表征,扫描电镜,2个方向观察(平行于受喷表面和截面方向)高分辨透射电镜和电子背散射衍射分析,疲劳性能采用旋转弯曲疲劳模式表征。采用旋转弯曲疲劳极限表征了强化增益作用,并与喷丸显微组织建立联系。结果表明,在760℃到850℃区间,喷丸强化较原始加工状态的疲劳极限增益达到14.8%,主要原因是高密度的缠结位错、加工硬化和晶粒错配。此外,通过表面应力集中系数计算表明,即使在平均粗糙度Ra升高的基础上,喷丸强化后表面应力集中系数也降低。     

喷丸强化对GH4096合金表面状态和疲劳性能的影响

采用S110铸钢丸和Z300陶瓷丸对GH4096合金开展了喷丸强化试验,利用扫描电镜和三维轮廓仪分析了喷丸表面形貌,采用X射线衍射法分析了喷丸表面残余应力,采用金相显微镜和扫描电镜分析了喷丸试样的截面显微组织,并对喷丸试样进行了650℃低周疲劳试验。结果表明：随着喷丸强度的增大喷丸表面的粗糙度升高,相同喷丸强度下陶瓷丸喷丸表面的粗糙度低于铸钢丸喷丸强化的表面粗糙度。铸钢丸喷丸表面的残余压应力在-860MPa～-1000MPa之间,随着喷丸强度的增加残余压应力略有降低;陶瓷丸喷丸表面的残余压应力在-1000MPa～-1100MPa之间,随着喷丸强度的增加残余压应力略有增加。GH4096合金喷丸后表面发生塑性形变,形成弹丸坑形貌,出现晶界弯曲,产生晶格畸变,造成大量位错塞集,形成密集分布的小角度晶界,晶粒取向也随之改变。喷丸强化可提高GH4096合金650℃高温下的低周疲劳寿命,复合喷丸对疲劳寿命的提升效果最明显,相同喷丸强度下陶瓷丸的强化效果优于铸钢丸。喷丸强化后试样的疲劳裂纹多萌生于强化层之下的亚表面,喷丸强化的效果受表面粗糙度、残余应力及强化层深度等共同影响。     

喷丸直径对GH4169合金性能和损伤演化的影响

采用半自动光学显微镜、激光共焦显微镜、MTS-Landmark电液伺服力学性能试验机等设备,研究了GH4169合金经不同直径弹丸喷丸处理后的微观组织和力学性能。利用数字图像相关方法(DIC),对材料单轴拉伸过程的表观损伤演化行为进行分析。结果表明,随着弹丸直径由ϕ0.6 mm增大到ϕ4.3 mm,GH4169合金的表面细晶层厚度由420 μm 增大到530 μm,其表面粗糙度最大较原始试样增大了80.8%。喷丸处理后,材料的屈服强度和抗拉强度均有所提高,其伸长率下降。随着塑性变形增加,喷丸前后GH4169合金的损伤演化规律相似,变形初期材料发生均匀变形且变形缓慢,损伤因子达到临界值后材料开始快速损伤。喷丸直径越大,临界塑性应变越小,材料越早发生快速损伤。建立了不同喷丸直径GH4169合金的损伤演化方程,对喷丸强化材料的寿命评估具有重要意义。     

喷丸时间对GH4169合金表层组织及性能的影响

利用2mm不锈钢弹丸对GH4169合金表面进行高能喷丸处理,研究喷丸时间对合金表面形貌、表层显微组织、表面粗糙度和显微硬度的影响。结果表明,随着喷丸时间延长,喷丸作用层厚度、显微硬度、表面粗糙度都随之增加;当喷丸时间为10min时,GH4169合金的喷丸作用层厚190μm,表层显微硬度(HV)为389,较原始试样提高了35%。     

喷丸压力对GH3535合金表面状态及疲劳性能的影响研究

分别采用0.3MPa、0.45MPa和0.6MPa喷丸压力对GH3535高温合金表面进行喷丸。利用扫描电子显微镜（SEM）观察合金表面形貌、强化层组织结构,通过金相显微镜（OM）、维氏硬度计、X射线应力分析仪分析表层晶粒度、表层显微硬度、表层残余应力分布及X射线衍射峰半高宽。在室温条件下进行高周疲劳实验,并通过扫描电子显微镜（SEM）观察分析断口形貌特征。结果表明:GH3535合金喷丸后表层形成了晶粒细化层、硬化层和残余压应力层。且合金表面产生的晶粒细化层厚度、硬化层厚度以及残余压应力层厚度均随着喷丸压力的增加而提高。喷丸压力在0.3MPa～0.6MPa范围内,疲劳寿命受喷丸压力的影响较为敏感,且疲劳寿命随着喷丸压力的增加而提高。当喷丸压力为0.6MPa时,喷丸产生的效果最优,疲劳寿命提高了471.1%。喷丸后GH3535合金疲劳寿命的提高得益于合金表面状态的改善。     

喷丸强化对TC17钛合金疲劳性能的影响

采用铸钢丸对TC17钛合金材料进行了喷丸强化处理,研究了喷丸强化对表面粗糙度的影响,利用X射线应力仪分析强化层残余应力沿厚度方向分布情况,对比分析了TC17试件喷丸强化前后的疲劳性能。结果表明:喷丸对TC17钛合金表面完整性有十分大的影响,喷丸后表面粗糙度Ra由0.3μm增加至1.6μm左右;喷丸后表面残余应力在-600~-700 MPa之间,残余应力场深度达到160μm左右。喷丸可显著提高TC17钛合金的疲劳性能,与未喷丸相比,TC17钛合金喷丸后疲劳极限提高34%以上。     

喷丸强度对316不锈钢表面完整性及疲劳寿命的影响

目的阐明喷丸强度对316不锈钢疲劳寿命的影响机制。方法不同喷丸强度处理的316不锈钢试样经化学腐蚀后,利用光学显微镜观察其微观结构的变化。采用白光干涉仪、维氏显微硬度测量系统、X射线应力分析仪等,分析喷丸处理前后316不锈钢试样的表面轮廓、表面粗糙度、显微硬度以及残余应力等的变化。利用疲劳试验机测得喷丸处理前后316不锈钢试样的拉伸性能和疲劳寿命。结果喷丸处理后,试样表面粗糙度明显增加,随着喷丸强度的增大,表面粗糙度S_a由0.04μm增至6.73μm。此外,喷丸处理后,产生了从表层到材料基体的微结构梯度,随着喷丸强度的变化,表面变形层的厚度位于110～290μm之间。喷丸过程中产生了加工硬化现象,并且引入了一定深度的残余压应力层。随着喷丸强度的增大,喷丸处理试样显微硬度的最大值由356HV_(0.1)增至435HV_(0.1),残余压应力的最大值由-633 MPa增至-750 MPa。与未喷丸试样相比,喷丸处理改善了材料的力学性能和疲劳特性,喷丸试样的塑性应变幅值降低,疲劳寿命明显增加。结论喷丸处理能够有效地改善316不锈钢的综合力学性能,增加其疲劳寿命。不同强度的喷丸处理效果差异明显,在喷丸强度为0.35 mmA时,达到最优喷丸效果。     

高温合金GH4169球头刀铣削表面完整性测试实验研究

利用球头铣刀对高温合金GH4169试件进行铣削加工,并对其加工表面完整性指标进行检测。结果表明：在选取的实验参数条件下,线速度vc对于表面粗糙度Ra、表面显微硬度和加工表面残余应力等表面完整性指标的影响不明显;表面粗糙度Ra和加工表面显微硬度会随着切深ap和每齿进给量fz的增大而增大;高温合金GH4169球头刀铣削加工后的表面残余应力σH呈现为拉应力状态,范围为219.3~338.9 MPa;残余拉应力随着切深ap和每齿进给量fz的增大而减小,原因是随着切深ap和每齿进给量fz的增大,加工表面的塑性变形程度逐渐增加。     

扫描方式对激光立体成形GH4169合金高温力学性能和热疲劳性能的影响

扫描方式是激光立体成形的一个重要工艺参数,选择3种不同的扫描方式对GH4169高温合金进行激光立体成形试验,并进行了500℃高温力学试验和1000次25~500℃冷热循环的热疲劳试验。结果表明:与沿长边平行往复扫描相比,长短边交替平行往复扫描时合金的抗拉强度和屈服强度分别增大了82和79 MPa,断后伸长率基本不变,热疲劳裂纹级别从7级变为2级。沿短边平行往复扫描时,合金力学性能和热疲劳性能介于沿长边平行往复扫描和长短边交替平行往复扫描之间。扫描方式优选为:长短边交替平行往复扫描。     

GH4169、GH4169plus和GH4738高温合金组织稳定性

为了获得不同沉淀硬化相作用的高温合金在高温长期时效过程中的组织稳定性的对比规律,对3种应用最为广泛的高温合金GH4169、GH4169plus、GH4738经720℃时效后的显微组织和硬度变化进行了对比分析。结果表明,合金的组织稳定性与晶界相和弥散强化相有关,晶界碳化物较晶界δ相稳定,γ'相较γ″相有更好的稳定性,但同为γ'相,组织稳定性还与其和基体的错配度有关。对比3种合金,随时效时间的延长,GH4169plus合金的稳定性稍次于GH4738合金,但要优于GH4169合金。     

车削速度对GH4169加工表面完整性的影响

加工表面完整性对材料的服役性能有着重要的作用。使用陶瓷刀具,对高温合金GH4169进行车削加工,分析不同车削速度对表面完整性各特征参量的影响,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪和XRD等仪器对表面微观结构、显微硬度和残余应力进行观测。结果表明:表面粗糙度随切削速度的增大而减小;加工表层存在滑移,且有明显的加工硬化现象,表层显微硬度随着车削速度的增大呈现增大趋势;轴向表面残余应力均为拉应力,且随着车削速度的增大拉应力先增大后减小,原因在于当速度增大至一定程度时,热量短时间内无法传递到工件内部,导致热效应的作用效果减弱。     

喷丸强化对TB6钛合金疲劳性能和表面完整性的影响

为了提高TB6钛合金零件的疲劳抗力,研究了喷丸强化对TB6钛合金疲劳性能的影响,并采用白光干涉仪、x射线应力测量仪、显微硬度计及扫描电子显微镜等仪器对其表面完整性进行分析,探讨喷丸强化机制。结果表明：相比未处理的试样,喷丸处理试样的旋转弯曲疲劳寿命显著提高。喷丸强度对TB6钛合金的疲劳性能影响显著,随着喷丸强度的增加,残余压应力层和硬化层深度相应增大,对疲劳性能有利;而同时表面粗糙度也在增大,局部应力集中效应会抑制疲劳性能的改善。     

径锻工艺对高温合金GH4169棒材性能的影响

采用光学显微镜并通过650℃拉伸试验研究了径向锻造工艺参数(包括坯料的加热温度、锻造温度和道次主延伸系数等)对直径为130 mm的GH4169高温合金棒材晶粒尺寸、析出的δ相的形貌和分布以及力学性能的影响。结果表明,由于坯料的加热温度和保温措施合适,并且主延伸因数较小,特别是在径向锻造过程中将坯料的表面温度控制在850～900℃,经径向锻造的GH4169合金棒材具有良好的显微组织及650℃下的力学性能,抗拉强度为1 100～1 150 MPa,屈服强度为1 010～1 030 MPa,断后伸长率为15%～21%,断面收缩率为37%～50%。     

时效处理对GH4169合金组织和性能的影响

研究了"标准双时效"制度和"高温时效"制度对GH4169合金组织、室温力学性能和高温力学性能的影响规律。结果表明:由于"高温时效"处理温度高于"标准双时效"处理温度,促使基体中γ〃亚稳定相向δ稳定相转变,但是δ相的析出会消耗合金中主要强化相γ〃中的Nb元素,导致γ〃强化相减少,因此"高温时效"处理后GH4169合金的强度有所降低,而伸长率有所提高。"高温时效"处理GH4169合金可以获得强度和塑性的综合匹配。     

喷丸尺寸对GH4169表层湿喷丸组织与性能的影响

利用湿喷丸对GH4169合金进行表面处理,研究了不同喷丸直径(1、2、4mm)对合金表面形貌、表层显微组织、表面粗糙度和显微硬度的影响。结果表明,随着喷丸直径增加,合金表面完整性降低,而喷丸作用层厚度、显微硬度、表面粗糙度都随之增加。当喷丸直径为4mm、作用时间为5min时,喷丸作用层厚度和表面显微硬度(HV)最大,分别为320μm和356。     

振动光整对提高TC17钛合金喷丸表面完整性影响的研究

为提高TC17钛合金零件服役性能,研究了振动光整对TC17钛合金喷丸表面完整性以及疲劳性能的影响。利用X射线应力仪、粗糙度仪、表面形貌仪研究了振动光整与喷丸复合处理对TC17钛合金表面残余应力、表面粗糙度及表面形貌的影响;利用旋转弯曲疲劳实验机研究了振动光整与喷丸复合处理对疲劳性能的影响。结果表明,合理的振动光整与喷丸复合处理能提高TC17钛合金的疲劳性能,同时获得良好的表面完整性;经复合处理后,试样的疲劳极限与未处理试样相比可提高12.2%,试样的表面粗糙度与喷丸试样相比由Ra1.0μm降至Ra0.2μm。     

活性剂对GH4169高温合金激光焊接头组织及性能的影响

采用自行研制的活性剂对GH4169进行活性剂激光焊接试验,研究了活性剂对焊缝深宽比、焊缝元素分布、微观组织结构以及力学性能的影响规律。结果表明:采用活性剂进行激光焊接后,焊缝深宽比显著增加,活性剂对焊缝元素含量和物相组成基本没有影响。表面涂敷活性剂后,焊缝中的显微组织仍是由靠近熔合线附近的柱状晶区和焊缝中心的等轴晶区组成,但焊缝等轴晶区变大、晶粒发生细化。涂敷活性剂后焊缝中心区的显微硬度增加,但焊接接头塑性显著下降,接头的抗拉强度可达927.4 MPa,为GH4169母材强度的93%。     

喷丸对DD6单晶合金高温疲劳性能的影响

用陶瓷丸CZ50对DD6单晶高温合金(简称DD6单晶)进行喷丸,研究喷丸后DD6单晶的表面形貌和650℃旋转弯曲疲劳应力-寿命曲线的变化。结果表明:喷丸消除了加工刀痕,缓和了表面应力集中;DD6单晶喷丸后疲劳极限达到486MPa,比未喷丸的原始试样提高了19.7%。喷丸后试样疲劳源呈现小刻面状的原因是由于喷丸强化层内较大的位错密度,裂纹扩展方向在距疲劳源30～50μm处出现变化,延长了单晶高温合金的扩展寿命。