GH4133 鎳基高溫合金是以鎳-鉻固溶為(wei) 基， γ′[Ni 3 (Al,Ti,Nb)]為(wei) 主要強化相的時效硬化型合金， 該合金具有良好的綜合性能， 晶粒均勻細小， 屈服強度高，易於(yu) 熱加工成形， 適合於(yu) 製造溫度在 750 ℃以下航空發動機的渦輪盤和葉片等重要部件。 采用 GH4133 鎳基高溫合金製備的部件在實際使用過程中， 由於(yu) 振動疲勞引起的部件疲勞斷裂， 嚴(yan) 重影響其使用的安全和可靠性。 由於(yu) 疲勞裂紋通常發生在表麵， 為(wei) 了改善部件的表麵性能， 提高抗疲勞性能， 常采用表麵強化技術對材料進行改性， 研究表明， 激光衝(chong) 擊強化（laser shockpeening， LSP） 是一種新型的表麵強化技術， 可以細化材料表層組織， 在表層殘留較大的殘餘(yu) 壓應力， 明顯提高其疲勞壽命。 其原理為(wei) ： 短脈衝(chong) (幾十納秒)的高峰值功率密度(＞109 W/cm 2 )的激光輻照金屬表麵， 使金屬表麵塗覆的吸收保護層吸收激光能量並發生爆炸性氣化蒸發，產(chan) 生高壓(＞1GPa )的等離子體(ti) 衝(chong) 擊波， 衝(chong) 擊波的力效應使表層材料微觀組織發生變化， 在較深的厚度上殘留壓應力， 從(cong) 而顯著提高金屬材料抗疲勞、耐磨損和防應力腐蝕等性能。

采用激光衝擊強化技術提高

GH4133 鎳基高溫合金的疲勞性能， 但由於(yu) 該合金的實際工作溫度較高， 而在高溫的作用下， GH4133 鎳基高溫合金的激光衝(chong) 擊強化效果的穩定性尚不清楚， 目 前， 國內(nei) 未見相關(guan) 報道。因此本實驗研究激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金及溫度作用下微觀組織和殘餘(yu) 壓應力分布， 探討激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度影響下的熱穩定性， 為(wei) 實現激光衝(chong) 擊強化技術在 GH4133 鎳基高溫合金部件上的工程應用提供試驗數據和理論依據。

實 驗

實驗材料為(wei) GH4133 鎳基高溫合金, 成分如表 1。

為(wei) 了對比研究溫度對激光強化 GH4133 鎳基高溫合金的穩定性影響， 設計了 3 種不同表麵狀態， 分別是： 第 1 組： 未處理試樣； 第 2 組： 將試樣進行激光衝(chong) 擊強化處理； 第 3 組： 將試樣進行激光衝(chong) 擊強化處理後在 500 ℃下保溫 1 h。

為(wei) 了保證激光誘導等離子體(ti) 衝(chong) 擊波對材料的作用效果， 首先對 GH4133 鎳基高溫合金所需的激光功率密度進行估算。 其方法是： 根據 GH4133 鎳基高溫合金的Hugoniot 彈性極限（HEL），提出衝(chong) 擊波峰值壓力與(yu) 激光功率密度的關(guan) 係經驗公式估算引起材料動態塑性變形所需的功率密度； 然後根據激光功率密度和能量關(guan) 係公式換算出激光能量範圍。

式中， P 為(wei) 衝(chong) 擊波峰值壓力(GPa)， α 是效率係數， A 為(wei) 吸收率， 約束層為(wei) 水、 吸收層為(wei) 膠帶的情況下 α=0.24，A=0.87； Z為(wei) 水和膠帶折合阻抗， 即 2/Z=1/Z 膠帶 +1/Z 約束層 ，可得 Z=0.908× 10 6 g·cm -2 ·s -1 ； I 為(wei) 激光的輸出功率密度(GW/cm 2 )。

I=E/τS (2)

式中，E為(wei) 激光器輸出能量（J），τ為(wei) 激光脈衝(chong) （ns），S為(wei) 光斑麵積（cm2）。

GH4133鎳基高溫合金材料室溫性能： σ Y =878MPa， σ b =1221 MPa。 計算采用的激光功率密度範圍為(wei) 4.29 GW·cm -2 ， 本 GH4133 鎳基高溫合金激光衝(chong) 擊強化采用 Nd:YAG 固體(ti) 激光器， 其工藝參數為(wei) ： 激光波長1064 nm， 激光能量 10.8 J， 脈寬 20 ns， 光斑直徑 4 mm，搭接率 66%。 約束層為(wei) 水， 吸收保護層采用鋁箔。

保溫試驗采用真空保溫爐， 將試件放入箱式爐中，在500 ℃的溫度下保溫1h。

金相組織測試采用

NEOPHOT-21 型金相顯微鏡；利用 Quanta200 掃描電鏡觀察強化前、 強化後保溫試樣橫截麵的形貌； 顯微硬度測試設備為(wei) MVS-1000JMT2顯微硬度計， 載荷為(wei) 200 g、 加載時間為(wei) 15 s。 殘餘(yu) 應力測試采用 X-350A型 X射線應力儀(yi) 對試樣的表麵和截麵應力分布進行測試。 疲勞試驗采用高溫疲勞試驗裝置， 試驗溫度為(wei) 500 ℃。

高溫疲勞性能

對未強化、強化 2 種狀態試樣在相同條件下進行疲勞試驗， 按威布爾概率分布模型進行擬合， 對實驗數據進行分析和處理， 其結果如表 2 所示。

從(cong) 表 2 中可知。 GH4133 鎳基高溫合金試樣不同狀態的疲勞壽命分別為(wei) ： 原始試樣為(wei) 1.12× 10 5；激光衝(chong) 擊強化後在500℃溫度下的疲勞壽命為(wei) 2.62× 105 ， 是未處理試樣的 2.34倍。

實驗結果表明， 激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下仍能顯著提高其安全壽命， 激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在 500 ℃仍具有很好的熱穩定性。

微觀組織熱穩定性分析

不同狀態激光衝(chong) 擊 GH4133 鎳基高溫合金的截麵微觀組織如圖 1 所示， 從(cong) 圖中可以看出， GH4133 合金基體(ti) 組織由等軸晶組成（圖 1a）， 晶粒較大， 在 100~400μm。 激光衝(chong) 擊 GH4133 鎳基高溫合金其微觀組織是在 γ奧氏體(ti) 基體(ti) 上分布著許多細小而均勻的 γ’沉澱強化相，以及變形和強化過程產(chan) 生的大量細化的晶粒和孿晶組織（圖 1b）。 相比於(yu) 激光衝(chong) 擊強化試樣， 在 500 ℃下保溫 1 h 後的 GH4133 鎳基高溫合金的微觀組織如圖 1c、1d、 1e 所示， 由於(yu) 溫度的作用， 激光衝(chong) 擊強化引起的塑性變形形成了大量孿晶組織和細小晶粒未發生長大，晶界更加清晰， 組織更加均勻的分布， 並在 10000 倍下（圖 1e）， 在晶界上析出大量細小， 均勻分布的析出相，因為(wei) GH4133 變形高溫合金的 γ’在 500 ℃開始析出，M 23 C 6 需要在 600 ℃析出 ， 因此可以知道析出相為(wei) γ’。

殘餘應力熱鬆弛分析

GH4133 鎳基高溫合金激光衝(chong) 擊保溫前後的殘餘(yu) 應力如圖 2 所示。

從(cong) 圖中可以看出， GH4133 鎳基高溫合金基體(ti) 的殘餘(yu) 壓應力在–59 MPa， 而經過激光衝(chong) 擊強化後的殘餘(yu) 最大值為(wei) –381 MPa， 影響深度大於(yu) 0.8 mm， 而經過 500 ℃保溫 1 h 處理後， 表層的殘餘(yu) 壓應力為(wei) 302 MPa， 下降了 20%， 但保溫後 GH4133 鎳基高溫合金的殘餘(yu) 壓應力仍高於(yu) 基體(ti) 的值， 影響深度大於(yu) 0.8 mm， 且隨著距表麵深度的增加， 殘餘(yu) 壓應力梯度減緩， 深度影響較小。

顯微硬度分析

GH4133 鎳基高溫合金不同狀態的截麵顯微硬度如圖 3 所示。 從(cong) 圖中可以看出， 未處理試樣的顯微硬度在 4500 MPa 左右， 而經過激光衝(chong) 擊強化後顯微硬度達到 5700 MPa， 明顯高於(yu) 基體(ti) 的顯微硬度值， 影響深度達到 2 mm。 激光衝(chong) 擊 GH4133 鎳基高溫合金經過保溫處理後， 表麵硬度值高於(yu) 激光衝(chong) 擊後試樣的硬度值， 達到 5900 MPa， 影響深度仍能達到2mm。

組織細化的影響

由圖 1 可知， 激光衝(chong) 擊強化過程產(chan) 生的等離子體(ti) 衝(chong) 擊波使 GH4133 鎳基高溫合金的表麵組織細化， 形成大量的孿晶， 對提升材料的抗疲勞具有重要作用。

GH4133 鎳基高溫合金有等軸晶構成， 晶內(nei) 有退火孿晶貫穿整個(ge) 晶粒， 激光衝(chong) 擊強化後保溫處理， 相當於(yu) 低溫形變熱處理， 使得激光衝(chong) 擊強化冷變形過程形成的晶粒被拉長， 形成細條狀， 產(chan) 生形變孿晶， 晶粒細化， 形成加工硬化， 提高材料表層的顯微硬度；由於(yu) 變形的不均勻而產(chan) 生內(nei) 應力； 當變形量很大時，這些組織結構的變化使高溫合金強度增加， 塑性下降，這種不穩定狀態不能直接使用， 在500 ℃保溫處理後，除機械孿晶外， 通過原子擴散發生回複， 使晶格扭曲減輕， 減小內(nei) 應力， 通常析出主要強化相或其他析出相（γ’相 Ni 3 X）。 這些相優(you) 先在冷加工變形的各種缺陷或高能位置形核， 所以析出相更加細小均勻（圖 1e），強化效果更好， 同時釘紮在晶界及亞(ya) 晶界上塊狀析出，使得激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理後， 合金保持組織穩定性。因此， 激光衝(chong) 擊強化 GH4133鎳基高溫合金在 500 ℃以下可以長期使用。

另一方麵材料的疲勞性能與(yu) 材料的組織結構有關(guan) ，主要包括晶粒尺寸、 亞(ya) 晶粒尺寸、 晶體(ti) 晶格畸變（微觀應力） 等。 激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金使得晶粒尺寸減小， 數量增多， 晶界增多可以提高滑移變形抗力， 增加裂紋擴展的晶界阻力， 同時抑製裂紋的萌生，有效阻止疲勞裂紋的擴展。

殘餘應力場的影響

由圖 2 可知， 經過激光衝(chong) 擊強化後 GH4133 鎳基高溫合金材料表層產(chan) 生了深度大於(yu) 0.8 mm 的殘餘(yu) 壓應力場， 表麵殘餘(yu) 壓應力可達 381 MPa， 經過保溫處理後，激光衝(chong) 擊強化過程在材料表層形成的殘餘(yu) 壓應力部分釋放， 但仍有較高的殘餘(yu) 壓應力殘留在材料表層， 而且在溫度的作用下殘餘(yu) 壓應力沿深度方向的梯度減緩， 使得殘餘(yu) 壓應力分布更加的均勻， 且分布深度大於(yu) 0.8mm。 這一點在顯微硬度沿深度的分布中得到同樣的結果， GH4133 鎳基高溫合金激光衝(chong) 擊強化後保溫的顯微硬度值增加的深度大於(yu) 0.8 mm。

由於(yu) 材料的疲勞性能與(yu) 殘餘(yu) 應力有關(guan) ， 殘餘(yu) 應力在疲勞載荷中起著平均應力的等效作用， 殘餘(yu) 壓應力相當於(yu) 負的平均殘餘(yu) 應力， 它能提高工件的抗疲勞強度； 殘餘(yu) 拉應力相當於(yu) 正平均應力， 它降低了工件的抗疲勞強度。 殘餘(yu) 壓應力增大， 可顯著提高材料的疲勞性能， 抑製裂紋的萌生， 延長疲勞壽命。

因此， 激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下， 殘餘(yu) 壓應力部分釋放， 沿深度方向的梯度減緩，與(yu) 細化晶粒、 變形孿晶、 析出相共同作用， 強化效果仍發揮作用， 具有很好的熱穩定性， 有利於(yu) 提高 GH4133材料的疲勞性能。

結 論

1) 在 500 ℃溫度作用下， 激光衝(chong) 擊強化 GH4133鎳基高溫合金產(chan) 生的細化晶粒未發生長大， 析出相細小均勻， 強化效果更好， 釘紮在晶界及亞(ya) 晶界上， 使得激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理後， 合金保持組織穩定性。

2) 在500 ℃溫度作用下， 激光衝(chong) 擊強化後 GH4133合金產(chan) 生的表層殘餘(yu) 壓應力有部分釋放， 下降了 20%，但分布的深度大於(yu) 0.8 mm。 而顯微硬度值比保溫前增加， 且影響深度仍超過 0.8 mm。

3) 激光衝(chong) 擊強化後在 500 ℃溫度下的疲勞壽命為(wei) 2.62×10 5 ， 是原始試樣的 2.34 倍。

4) 激光衝(chong) 擊強化 GH4133 鎳基高溫合金熱穩定性由兩(liang) 部分組成: 一方麵， 在溫度作用下， 激光衝(chong) 擊強化的微觀組織的晶粒細化、 大量變形孿晶及晶界析出相，使得微觀組織具有良好的穩定性； 另一方麵， 殘餘(yu) 壓應力等在溫度作用下部分釋放， 梯度減緩， 穩定性好。 這兩(liang) 者共同作用提高了 GH4133 的疲勞性能。