DD5緩進磨削表面粗糙度和硬化率對疲勞性能影響研究

摘要：為研究DD5鎳基單晶高溫合金緩進磨削表面粗糙度和硬化率對疲勞性能的影響規律及機理，設計實驗并進行了試件磨削與疲勞性能測試。結果表明：表面粗糙度的增大引起應力集中加劇，導致疲勞性能降低，不同磨削工藝下表面粗糙度由0.347 μm增大到0.687 μm，其疲勞壽命由5.51×105降至3.38×105，下降率約38.66%；表面粗糙度小于0.4 μm時表面硬化可提高試件疲勞壽命，表面粗糙度超過0.4 μm時表面硬化對疲勞性能的影響不顯著；形貌測試結果表明，隨著表面粗糙度的提高，磨削表面耕犁產生的溝壑數量和深度均增大，疲勞載荷作用下磨削表面裂紋源數量增加、應力集中加劇，從而導致疲勞壽命降低。較小的表面粗糙度與較大的表面硬化率均可提高DD5緩進磨削疲勞性能。

關鍵詞：DD5高溫合金；緩進磨削；表面粗糙度；表面硬化率；疲勞性能；斷裂機理

中圖分類號：TP182

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.08.015

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on Influences of Surface Roughness and Hardening Rate on

Fatigue Property in DD5 Creep Feed Grinding

JIN Qichao1，2 BAO Huzi1 LI Liangwan3 WANG Wenhu3 ZHANG Jinqi1 YE Ziyin1 GUO Lei1

1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE，Changan University，

Xian，710064

2.AECC Xian Aero-engine Ltd.，Xian，710021

3.Key Laboratory of High Performance Manufacturing for Aero Engine，Ministry of Industry and

Information Technology，Northwestern Polytechnical University，Xian，710072

Abstract： In order to study the influence laws and mechanism of surface roughness and hardening rate on fatigue property of DD5 nickel-based single crystal superalloy during creep feed grinding， the experiments were designed and tested. The results show that the increase of surface roughness leads to the aggravation of stress concentration and decrease of fatigue property. Under different grinding processes， when the value of surface roughness increases from 0.347 μm to 0.687 μm， the fatigue life decreases from 5.51×105 to 3.38×105， and the reduction rate is about 38.66%. When the value of surface roughness is less than 0.4 μm， the surface hardening may improve the fatigue life of the specimen. When the value of surface roughness is more than 0.4 μm， the surface hardening has no significant effect on the fatigue property. The morphological tests show that with the increase of surface roughness， the number and depth of gullies generated by ploughing on the grinding surface increase， the number of crack sources on the grinding surface increases and the stress concentration intensifies under fatigue load， which leads to the decrease of fatigue life. Lower surface roughness and larger surface hardening rate may improve the creep feed grinding fatigue property of DD5.

Key words： DD5 super alloy; creep feed grinding; surface roughness; surface hardening rate; fatigue property; fracture mechanism

0 引言

DD5鎳基單晶高溫合金是制造航空發動機高壓渦輪轉子葉片的材料之一［1-3］。葉片通常采用熔模精密鑄造一體成形，基本實現了葉身無余量精密鑄造。然而，榫齒作為連接渦輪盤的關鍵裝配部件，精密鑄造難以保證其輪廓尺寸和表面質量需求，需要留有余量并進行機械加工［4-5］。榫齒成形主要采用成形銑削、拉削、慢走絲線切割、電解磨削與緩進磨削等方式，由于成形銑削、拉削等工藝方法存在刀具磨損嚴重、成形精度不足等缺陷，目前通常采用緩進磨削實現榫齒精密成形。緩進磨削具有工藝簡單、效率高、成形精度高等特點，但磨削深度的增大產生了冷卻條件惡化、塑性變形加劇等問題，導致獲得理想的表面完整性成為難題［6］。表面完整性直接影響轉子葉片榫齒的疲勞性能，因此，研究DD5緩進磨削表面完整性對疲勞性能的影響具有重要意義。

在高溫合金材料性能研究方面，朱志成等［7］對IC10單晶高溫合金不同晶面與同一晶面不同晶向試塊開展緩進磨削實驗，研究各向異性對工件表面完整性的影響，結果表明（001）晶面加工后表面粗糙度最低，顯微硬度最大，塑性變形層厚度最小，為單晶高溫合金緩進磨削在晶面選擇上提供了理論參考。ZHAO等［8］研究了Inconel 740的顯微組織穩定性，發現該合金的顯微組織至少在750 ℃時仍保持良好的熱穩定性，合金的室溫顯微硬度隨溫度的升高而降低，并對合金的力學性能進行了研究。LIN等［9］研究了典型鎳基高溫合金的熱變形行為，結果表明流變應力對成形溫度和應變速率非常敏感，他們還建立了本構模型用來預測所研究高溫合金的流變應力，該模型可準確表征其熱變形行為。賈新云等［10］研究了DD5雙聯整鑄導向葉片熱處理工藝順序對組織和性能的影響，指出DD5導向葉片在加工前先進行標準熱處理可以提高DD5的力學性能，為DD5葉片加工工藝安排提供了指導。曾曦等［11］分析了DD5熱處理各階段單晶組織尺寸及轉變的規律，發現隨著各個階段熱處理的逐步完成，γ′增強相有序性和立方度逐步提高，證明了熱處理對DD5性能的影響。在磨削參數對加工表面完整性的影響研究方面，黃新春等［12］研究了GH4169高溫合金磨削參數對表面完整性的影響，結果表明工件進給速度對表面粗糙度的影響最大，砂輪線速度對表面顯微硬度與表面殘余應力的影響最大，為高溫合金磨削參數設計提供了理論指導。WANG等［13］揭示了Inconel 718磨削砂帶速度對表面殘余應力的影響，結果表明砂帶速度為31 m/s時殘余壓應力較大，為高溫合金砂帶磨削速度的選擇提供了數據積累。蔡明等［14］研究了DD5磨削參數對表面粗糙度的影響，結果表明砂輪線速度對表面粗糙度的影響程度最大，為得到較小的高溫合金磨削表面粗糙度提供了參數指導。DING等［15］研究了K424高溫合金磨削參數對表面完整性的影響，結果表明當砂輪線速度為22.5 m/s、工件進給速度為0.1 m/min、磨削深度為0.2 mm時可滿足工件尺寸精度要求，為高溫合金磨削工藝安排提供了數據積累。在高溫合金抗疲勞加工研究方面，ZHANG等［16］發現當表面粗糙度增大時，IC10緩進磨削試件疲勞壽命降低，分析了表面完整性對高溫合金疲勞壽命的影響。王冬冬等［17］研究了GH4169磨削參數對疲勞性能的影響，結果表明線速度與進給速度及下壓力顯著影響磨削試件疲勞性能，當磨削參數分別取線速度為11 m/s、進給速度為1000 mm/min、下壓力為3 N時疲勞性能最好，為獲得高溫合金更好的疲勞性能提供了磨削參數。LIU等［18］通過斷口分析指出，DZ468高溫合金的疲勞裂紋通常萌生于加工表面及內部缺陷處，裂紋擴展速率與應力幅成正相關，揭示了微觀尺度下高溫合金疲勞斷裂機理。SUN等［19］研究表明，GH4169車削表面殘余壓應力能產生較好的抗疲勞性能，為實現高溫合金抗疲勞磨削提供了理論基礎。王欣等［20］的研究表明，磨削、磨削+鑄鋼丸噴丸、磨削+陶瓷丸噴丸、磨削+復合噴丸四種方法均可顯著提高FGH95高溫合金疲勞性能，說明磨削可提高高溫合金的疲勞性能。黃新春等［21］的研究表明，GH4169磨削件的疲勞強度隨殘余拉應力的增大而降低，隨壓應力的增大而提高，控制高溫合金磨削殘余應力的類型可提高疲勞性能。LI等［22］研究了Inconel 718表面粗糙度對疲勞性能的影響，發現表面粗糙度的增大會導致疲勞性能降低，而表面硬化程度的提高可以提高疲勞性能，減小磨削表面粗糙度和增大表面硬度均可實現高溫合金抗疲勞加工。綜上所述，現有研究主要集中于DD5等高溫合金磨削參數對加工表面完整性的影響、GH4169等高溫合金磨削表面完整性對疲勞性能的影響，而關于DD5磨削表面完整性對疲勞性能的影響研究報道較少。

本文基于試件磨削與疲勞性能測試，研究DD5緩進磨削表面完整性對疲勞性能的影響。DD5緩進磨削工藝對表面完整性的影響研究基本完成［23］，考察的表面完整性指標有表面粗糙度和表面顯微硬度，因此有必要研究DD5表面粗糙度和硬化率對疲勞性能的影響規律并揭示其機理。

1 DD5試件磨削及疲勞性能測試

1.1 實驗材料及設備

1.1.1 疲勞試件制備

為排除DD5材料各向異性對磨削性能的影響，試件磨削方向需垂直于［001］晶向；采用慢走絲線切割垂直DD5定向凝固方向切割鑄錠，獲取疲勞試件毛坯。疲勞試件尺寸如圖1所示，規劃毛坯線切割及試件磨削方向如圖2所示。

1.1.2 緩進磨削與疲勞性能測試設備

DD5疲勞試件使用BC15蠕動磨床進行磨削加工，使用WA/PA 80混合磨料砂輪，設計夾具固定試件毛坯，磨床、砂輪與夾具如圖3所示。使用QBG-50軸向拉壓疲勞試驗機進行DD5疲勞性能測試。

1.2 DD5疲勞試件加工與測量

1.2.1 試件緩進磨削工藝

為研究DD5緩進磨削表面粗糙度和硬化率對疲勞性能的影響，需獲得不同表面粗糙度和硬化率的疲勞試件。因此，設計7組DD5緩進磨削工藝方案，見表1；并設置一組拋光工藝作為對照，然后對緩進磨削試件和拋光試件進行疲勞性能測試。拋光試件采用工藝3（獲取最小表面粗糙度）加工至圖1所要求的尺寸，然后對磨削表面進行拋光，以保證拋光試件與緩進磨削試件之間僅有表面粗糙度差異。每組工藝（包括拋光處理）分別加工4件疲勞件，其中1件用于表面完整性檢測，3件用于疲勞性能測試。

1.2.2 試件表面完整性與疲勞測試

檢測不同工藝下DD5表面粗糙度、表面硬化率、疲勞壽命。疲勞性能測試溫度為20 ℃，應力比R為0.1，最大應力σmax為400 MPa，加載頻率F為100 Hz，試件表面完整性與疲勞測試結果見表2。

2 DD5緩進磨削表面完整性對疲勞性能的影響

2.1 表面粗糙度對疲勞性能的影響

表面粗糙度對疲勞壽命的影響顯著，粗糙零件的表面存在較大波谷，應力集中比較敏感，從而影響零件疲勞壽命。DD5試件緩進磨削表面粗糙度對疲勞壽命的影響如圖4所示，從擬合曲線可以看出，隨著表面粗糙度的增大，疲勞壽命逐漸降低。同時，拋光試件表面近似理想狀態，試件疲勞壽命能達到7.11×105，也反映出表面粗糙度的降低會延長試件疲勞壽命。

分析不同表面粗糙度下的磨削表面應力集中系數Kt可以進一步揭示表面粗糙度對疲勞壽命的影響機理。Neuber應力集中經驗公式可以描述磨削表面幾何不連續性，表面應力集中系數Kt與表面形貌之間的關系可表示為［24］

Kt=1+nλRzρ（1）

其中，n為應力狀態因子，拉壓工況時n取2。λ是缺口間距與輪廓深度的比值，通常取1。ρ是輪廓谷底曲率半徑。Rz是輪廓微觀不平度十點高度，指的是在取樣長度內5個最大輪廓峰高度的平均值和5個最大輪廓谷深的平均值之和，可表示為

Rz=15∑5i=1（ypi+yvi）（2）

其中，ypi是第i個最大的輪廓峰高度，yvi是第i個最大的輪廓谷深度。基于表面粗糙度測試獲取了測量粗糙度Ra、Rz、表面粗糙度測試輪廓數據；并計算表面應力集中系數Kt值。不同工藝磨削試件的Kt值見表3，較大的表面粗糙度Ra會導致較大的輪廓微觀不平度十點高度Rz與更小的輪廓谷底曲率半徑ρ，進而增大磨削表面應力集中系數Kt。結合前文分析，磨削表面紋理起伏程度增大且缺口更尖銳，測試的表面粗糙度值升高，磨削表面的應力集中系數Kt增大，疲勞壽命降低。

為進一步研究表面粗糙度對疲勞壽命的影響機理，使用KC-H1010共聚焦顯微鏡觀察不同工藝磨削試件表面形貌，如圖5所示。與拋光表面比較，緩進磨削使表面形貌出現更多隆起與溝壑。對比工藝2與工藝7，表面粗糙度由0.347 μm增至0.687 μm，疲勞壽命由5.51×105降至3.38×105，下降率約38.66%。由于表面粗糙度增大，在表面形貌上表現為溝壑密度與深度的增大，局部應力集中加劇，從而導致疲勞壽命降低。

2.2 表面硬化率對疲勞性能的影響

表面硬度表征的是材料抵抗塑性變形的能力，表面加工硬化率對疲勞壽命又有一定影響。DD5試件緩進磨削不同表面粗糙度區間內表面硬化率對DD5疲勞壽命的影響如圖6所示，表面粗糙度小于0.4 μm時，表面硬化可提高試件疲勞壽命，這是因為磨削力對表層的加工硬化作用使材料的屈服強度與抗拉強度增大，同時使疲勞裂紋擴展的阻力變大，因此疲勞壽命增加。表面粗糙度超過0.4 μm時表面硬化對疲勞性能的影響不顯著（圖6中虛線所示），故從工藝5到工藝7，雖然表面硬化率增大，但疲勞壽命降低。整體上，表面粗糙度對疲勞壽命的影響程度大于表面硬化對疲勞壽命的影響程度。

2.3 表面完整性對疲勞性能的影響機理

2.3.1 斷口分析

與零件受靜載失效不同，疲勞斷裂為瞬斷，沒有明顯的伸長與頸縮現象，斷口之間吻合性較好，DD5宏觀疲勞斷口如圖7所示。

疲勞失效的過程是試件在循環載荷的作用下，在局部最高應力處產生疲勞損傷，當疲勞累計損傷達到臨界值時應力集中區產生新裂紋，隨著裂紋不斷擴展，應力集中加劇，直至試件結構瞬間失穩，發生疲勞斷裂。因此，疲勞失效經歷了裂紋萌生、裂紋擴展與瞬時斷裂三個階段。對應地，疲勞斷口形貌包含裂紋源、裂紋擴展與瞬斷三個區域。圖9所示為工藝2（Ra=0.375 μm）的疲勞斷口，圖9a是DD5疲勞斷口的裂紋源區，由于DD5為單晶材料，故當承受循環載荷時，試件產生晶內滑移，隨著循環數的增加，滑移線不斷增加、變粗，形成駐留滑移帶，疲勞裂紋在駐留滑移帶處萌生并開始擴展。在裂紋萌生的第二個階段，裂紋穿晶擴展，用電子顯微鏡可以看到疲勞輝紋，一般用疲勞輝紋來判斷零件發生的斷裂是否屬于疲勞斷裂。由圖8a可以看出，疲勞輝紋的類型為河流花樣結構，屬于脆性輝紋，符合零件受循環拉應力時產生的疲勞輝紋類型。圖8b所示為DD5疲勞斷口的裂紋擴展區，多個疲勞源各自擴展，隨著循環載荷的逐漸加載，不同擴展面上的疲勞裂紋交匯在一起，剪切撕裂讓不同擴展面連接起來，形成了階梯結構與垂直于裂紋擴展方向的疲勞條帶。圖8c展示了DD5疲勞斷口的瞬斷區，隨著裂紋擴展達到臨界狀態，疲勞損傷積累達到極限時，試件結構瞬間失穩，發生斷裂。可以看出，斷面比較粗糙，存在撕裂與臺階狀等瞬斷特征。

各表面粗糙度下DD5疲勞壽命的差距實際上是上述三個階段持續時間（特別是裂紋擴展階段）的不同，而表面粗糙度對各階段的持續時間有直接影響。不同表面粗糙度下的疲勞斷口形貌如圖9所示。不同表面粗糙度下疲勞斷口形貌組成部分一致，即斷口形貌均由裂紋源區（紅色區域）、裂紋擴展區與瞬斷區（綠色區域）組成。裂紋萌生于磨削表面缺陷處，各表面粗糙度下斷口形貌的差異主要體現在裂紋源區數量，隨著表面粗糙度的增大，裂紋源數量逐漸增加。對比拋光試件斷口（圖9a），裂紋源較少，裂紋擴展區面積占比更大，擴展階段更持久，即疲勞壽命更長。對于緩進磨削試件，表面粗糙度按工藝2、工藝5、工藝7的順序逐漸增大，如圖9b～圖9d所示，裂紋源即磨削表面缺陷數目逐漸增加，而這三種工藝下疲勞壽命依次為5.80×105、4.30×105、3.38×105，逐漸減少。通過對斷口形貌的觀察與分析，可知DD5疲勞性能的降低是因為表面粗糙度的增大導致了磨削表面裂紋源數量的增加，裂紋于更多處萌生，加速了疲勞失效的發生。

2.3.2 疲勞斷裂機理

為進一步驗證由斷口分析得到的結論，采集表面粗糙度測試輪廓數據，在不同工藝下表面粗糙度圖線中的相同位置取200 μm進行磨削表面紋理建模，并基于有限元開展拉伸模擬，觀察表面應力集中狀態，如圖10所示。圖11所示為不同DD5緩進磨削表面粗糙度下的應力集中狀態，可以看出隨著表面粗糙度的增大，疲勞載荷作用下磨削表面裂紋源數量增加、應力集中加劇，疲勞壽命降低，證明斷口分析所得結論有效。

3 結論

（1）表面粗糙度的增大導致疲勞性能降低，不同磨削工藝下表面粗糙度由0.347 μm增至0.687 μm，其疲勞壽命由5.51×105降至3.38×105，下降率約38.66%。

（2）表面粗糙度小于0.4 μm時表面硬化可提高試件疲勞壽命，表面粗糙度超過0.4 μm時表面硬化率對疲勞性能影響不顯著；整體上，表面粗糙度對疲勞性能的影響程度大于表面硬化率對疲勞性能的影響程度。

（3）隨著表面粗糙度的升高，磨削表面耕犁產生的溝壑數量和深度均增大，疲勞載荷作用下磨削表面裂紋源數量增加、應力集中加劇，從而導致疲勞壽命降低。

（4） 通過研究DD5表面粗糙度和硬化率對疲勞性能的影響規律并揭示其機理，為提高渦輪葉片成形精度和使役性能提供了理論指導與工藝參考。

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（編輯 陳 勇）