噴丸強化對DD5單晶材料疲勞性能的影響

楊清，何杉，孟震威

世界各國為適應高推重比航空發動機發展的需要，在航空發動機的渦輪葉片制造技術中采用了單晶制造技術。單晶葉片的使用，使渦輪前溫度提高55～80℃，推力增加7800N，且具有足夠的壽命，也增加了可靠性。

目前，在美國及歐洲國家，渦輪葉片單晶制造技術已經有了長足的發展。世界先進航空發動機：如美國的F119、歐洲四國的EJ200及法國的M88等均采用了單晶葉片。日本、韓國等也正在積極研制使用單晶空心葉片的新型戰機。為了趕超國際先進水平，適應高推重比航空發動機的發展，我國早在20世紀70年代就已經開展了單晶合金研究工作，相繼研制出DD3、DD8等第一代單晶合金，并對渦輪葉片單晶制造工藝進行了一定程度的研究。噴丸強化工藝已普遍應用到航空發動機、民用發動機、船舶等行業，噴丸強化可有效延長零部件的使用壽命，提高整個發動機的壽命，降低成本。

高壓渦輪工作葉片作為航空發動機的關鍵部件之一，直接決定了發動機的使用性能和安全性。隨著發動機工作效率的提高，渦輪進氣口的溫度也不斷升高，這使得高壓渦輪工作葉片的工作條件更加惡劣，尤其是榫頭連接處。因此，如何提高渦輪葉片榫頭抗疲勞性能成為該領域研究的熱點和重點問題。

1.試驗方法

噴丸強化是用于提高材料疲勞性能的重要技術，也常應用于高壓渦輪工作葉片榫頭的強化。但目前國內對葉片榫頭噴丸強化研究主要集中在多晶材料，而對單晶材料的噴丸強化則較少。本研究以某新型單晶材料為基體，將鑄鋼丸噴丸試樣與陶瓷丸噴丸試樣在650℃高溫下進行旋轉彎曲疲勞壽命的對比，并對噴丸后的表面進行分析與評價。

2.試驗材料與方法

（1）試驗材料 試驗材料為DD5單晶高溫合金，選用純凈的真空熔煉母合金在真空定向凝固爐上重熔合金、澆注并制成單晶試棒。對單晶試棒進行標準熱處理，熱處理制度為1300℃×4h空冷+1120℃×4h空冷+900℃×16h空冷。熱處理后，采用線切割、車削及磨削等工藝將試棒加工成旋轉彎曲疲勞試樣和約3mm厚的試片，其中旋轉彎曲試樣的具體形狀與尺寸如圖1所示。

（2）噴丸試驗 一半試樣采用鑄鋼丸噴丸，在數控噴丸機上完成；采用噴丸強度范圍為S1～S6，表面覆蓋率為100%。一半試樣采用陶瓷丸噴丸，在數控噴丸機上完成。噴丸試片均采用國際標準噴丸試片A型。試棒的噴丸強度見附表。

3.試驗結果與分析

（1）硬度分布 圖2所示為采用陶瓷丸進行不同強度噴丸強化處理對合金表層硬度分布的影響。可以看出，隨著噴丸強度從C2到C4逐漸增加，從樣品表面到內部，顯微硬度先增加再減少，直至達到內部基體的硬度，即噴丸后樣品表面形成了明顯的硬化層。與此同時，隨噴丸強度的增加，表面硬化層的深度也呈加深的趨勢。

圖1 DD5缺口疲勞試棒

圖3顯示了采用鑄鋼丸進行噴丸強化處理對合金表層硬度分布的影響。可以看出，隨著噴丸強度從S3到S4逐漸增加，除了在噴丸強度較低的S1條件下硬化效果不顯著外，其他條件下硬度分布變化規律與陶瓷丸噴丸一致，硬度在次表面達到極大值后逐漸降低至基體水平。也同樣表現出隨噴丸強度增加，硬化層增厚的規律。

（2）對疲勞性能的影響 650℃/550MPa下陶瓷丸噴丸和鑄鋼丸噴丸試棒疲勞壽命結果如圖4所示。從圖中可見，無論是采用陶瓷丸噴丸或是采用鑄鋼丸噴丸，噴丸強度都會使試棒的疲勞壽命有所提高。陶瓷丸噴丸疲勞壽命提高2～10倍，鑄鋼丸噴丸疲勞壽命平均提高4～10倍。

（3）疲勞試棒斷口分析 圖5給出了未經噴丸處理的試樣斷口。其斷口呈典型的疲勞斷口形貌，包括裂紋萌生區、裂紋擴展區和瞬斷區。在裂紋萌生區可見裂紋萌生于自由表面，這主要與滑移帶在樣品表面的失穩擴展有關。

圖6為陶瓷丸噴丸的旋轉彎曲樣品的疲勞斷口。雖然其疲勞斷口同樣呈典型的裂紋萌生區、擴展區和瞬斷區，但裂紋萌生的位置與未噴丸的樣品不同，主要萌生于樣品的次表面。

圖7給出了鑄鋼丸噴丸的旋轉彎曲樣品的疲勞斷口。斷口均呈典型的解理斷裂特征。裂紋萌生區不明顯，在S5條件噴丸的樣品可觀察到裂紋萌生于試樣內部，而S6條件噴丸的樣品則未觀察到明顯的裂紋源。

綜合比較可見，未噴丸樣品的疲勞裂紋始于樣品表面，陶瓷丸噴丸后樣品的疲勞裂紋源移到了次表面，而鑄鋼丸噴丸樣品的疲勞裂紋源已移到樣品的內部。

4.結語

（1）無論是采用鑄鋼丸還是采用陶瓷丸噴丸均能提高表面顯微硬度，且具有相同的趨勢，從樣品表面到內部，顯微硬度先再減少，直至達到內部基體的硬度。此外，兩種丸料噴丸后均呈現出隨著噴丸強度的增加，表面硬化層深度逐漸加深的趨勢。因此，在顯微硬度方面，采用鑄鋼丸與采用陶瓷丸在一定噴丸強度下均能形成明顯的硬化層。

噴丸強度試驗數據

圖2 陶瓷丸噴丸后樣品表層硬度變化

圖3 鑄鋼丸噴丸后樣品表層硬度變化

圖4 陶瓷丸和鑄鋼丸旋轉彎曲疲勞數據

圖5 未噴丸試樣旋轉彎曲疲勞斷口

圖6 典型的陶瓷丸噴丸樣品斷口

圖7 鑄鋼丸噴丸樣品的斷口

（2）鑄鋼丸和陶瓷丸噴丸均能提高疲勞壽命，陶瓷丸噴丸疲勞壽命提高2～10倍，鑄鋼丸噴丸疲勞壽命提高4～10倍。陶瓷丸在噴丸強度C2時能達到最高疲勞壽命；而鑄鋼丸在噴丸強度S5時能達到最高疲勞壽命。相比較，鑄鋼丸的平均疲勞壽命更高。

（3）從斷口來看，未噴丸樣品的疲勞裂紋始于樣品表面，陶瓷丸噴丸后樣品的疲勞裂紋源移到次表面，而鑄鋼丸噴丸樣品的疲勞裂紋源已移到樣品內部，有助于抑制疲勞裂紋擴展。