喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响

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1、喷丸强黼GH96粉末高一王欣1’2。胡云辉3。王晓峰4,51汤智慧1’2，邹金文4’5(1．中国航发北京航空材料研究院表面工程所，北京100095；2．中国航发北京航空材料研究院航空材料先进腐蚀与防护航空重点实验室，北京100095；3．中国航发西安航空动力有限公司研制中心，西安710021；4．中国航发北京航空材料研究院高温合金所，北京100095；5．中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料国防科技重点实验室，北京100095)[摘要】为研究喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响，采用不同强

2、度陶瓷丸喷丸强化对合金磨削表面进行了表面处理，并研究了疲劳性能和表面完整性状态。研究结果表明：在650'Y3下，当应力集中系数由K=1提高到K=1．7时，FGH96合金磨削状态疲劳极限由583MPa下降到465MPa；经过大强度喷丸强化后，华1．7疲劳极限回复到530MPa；小强度喷丸强化对K=1．7疲劳极限无增益作用。大强度喷丸强化消除了]徊_T-7J痕，表面粗糙度略有增大，引入了深度达到100斗m的残余应力场，在600MPa下疲劳源萌生于次表层，呈单源疲劳模式；小强度喷丸强化无法消除加工刀痕，在600MPa下疲劳源

3、萌生于表层，呈多源疲劳模式。结果证明适宜的喷丸强化工艺可以缓解结构应力集中对粉末合金疲劳性能的削弱。关键词：喷丸强化；粉末合金；疲劳性能；应力集中；敏感性DoI：10．16080巧．issnl671—833x．2017．13．048王欣博士研究生，高级工程师。主要从事航空表面强化技术与工艺研究，发表论文20余篇。十基金项目：航空基金(2015ZF21017)；中航工业技术创新基金(2013E62137Ro48航空制造技术·2017年第13期随着我国发动机技术的发展，涡轮前进口温度逐步提高，使得高压涡轮盘材料由镍基变形合

4、金向镍基粉末合金发展[1-21。FGH96粉末高温合金(简称FGH96合金)13--41是一种可在750℃下长期使用的高合金化镍基高温合金，其组织为简单立方结构，点阵号Pm3m的1，’强化相含量约为35％，在制备过程中加人了包套挤压、热等静压和锻造等工艺过程，具有优异的裂纹扩展抗力和良好的高温强度，成为先进航空发动机涡轮盘的理想材料巧l。在发动机服役时，高压涡轮盘受到交变载荷作用，存在疲劳风险卜71。高强度材料大多都存在疲劳性能应力集中敏感性隅。9l，即随着应力集中系数的提高，疲劳性能急剧下降。发动机轮盘榫槽、卡槽、各

5、类连接螺栓孑L、均压孔、通气孔等部位是典型结构应力集中部位[10l；同时，车削盘身、加工花边、拉削榫槽，也在上述部位造成微观应力集中11110应力集中严重弱化材料的疲劳性能[1210发动机轮盘在服役时受到多种形式振动作用，可能在应力集中部位造成疲劳破坏。据统计，20世纪60～90年代，我国发动机发生盘件疲劳事故十余起，造成一等事故5起[131。由此可知，提高应力集中结构的疲劳性能成为保障发动机转动件安全服役的关键。喷丸强化是我国航空工业应用最广泛的表面强化技术，残余应力和s。哟。M。咖。∞。表面iigj【性组织强化是喷

6、丸强化的主要抗疲劳强化因素[14-15]。此前，C250钢的研究结果【I6】表明，在室温状态下，相比于光滑结构，喷丸强化可以对应力集中结构起到更好的抗疲劳强化作用。对第一代粉末合金FGH95，王仁智等”71的研究表明喷丸强化可以消除表面孑L洞并且细化晶粒，显著提高FGH95合金的高温疲劳性能。而现阶段的FGH96合金成形过程经过挤压，基本上消除了表面的孑L洞缺陷，对这类合金喷丸强化工艺的研究较少。相比于普通变形合金，FGH96合金硬度较大，喷丸强化工艺方法需要选择；FGH96合金在高温下服役，喷丸强化工艺方法的高温抗疲

7、劳有效性需要确定；对FGH96合金的应力集中结构，喷丸强化对其疲劳性能应力集中敏感性的影响也有待明确。此外，陶瓷弹丸作为新型喷丸强化介质，有报道表明陶瓷弹丸喷丸强化后能够引入更优化的应力状态[I81，且表面光洁度良好，这种喷丸强化方法也将在本研究中采用。本研究针对FGH96合金开展喷丸强化工艺方法研究，分析了多种喷丸强化工艺对FGH96合金高温光滑／缺口(应力集中系数K=1．7)的影响，并结合喷丸强化后FGH96合金的表面完整性分析状态，总结获得喷丸强化对FGH96合金疲劳性能应力集中敏感性的影响，为喷丸强化工艺在FG

8、H96合金盘件的工程应用提供指导和借鉴。试验方法FGH96合金锻件为挤压棒材状态热等静压+锻造而成。该状态的FGH96合金室温力学性能a02=1080～1210MPa，ab=1520—1600MPa，g=17％-25％。喷丸强化过程符合HB／Z26—2011，采用了强度不同的陶瓷丸一次喷丸的工艺方法，如表1所示。采用光滑、缺口试样