GH4133 鎳基高溫合金是以鎳-鉻固溶為基， γ′[Ni 3 (Al,Ti,Nb)]為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，易于熱加工成形， 適合于制造溫度在 750 ℃以下航空發(fā)動機的渦輪盤和葉片等重要部件。 采用 GH4133 鎳基高溫合金制備的部件在實際使用過程中， 由于振動疲勞引起的部件疲勞斷裂， 嚴重影響其使用的安全和可靠性。 由于疲勞裂紋通常發(fā)生在表面， 為了改善部件的表面性能， 提高抗疲勞性能， 常采用表面強化技術(shù)對材料進行改性， 研究表明， 激光沖擊強化（laser shockpeening， LSP） 是一種新型的表面強化技術(shù)， 可以細化材料表層組織， 在表層殘留較大的殘余壓應(yīng)力， 明顯提高其疲勞壽命。 其原理為： 短脈沖(幾十納秒)的高峰值功率密度(＞109 W/cm 2 )的激光輻照金屬表面， 使金屬表面涂覆的吸收保護層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(＞1GPa )的等離子體沖擊波， 沖擊波的力效應(yīng)使表層材料微觀組織發(fā)生變化， 在較深的厚度上殘留壓應(yīng)力， 從而顯著提高金屬材料抗疲勞、耐磨損和防應(yīng)力腐蝕等性能。

采用激光沖擊強化技術(shù)提高

GH4133 鎳基高溫合金的疲勞性能， 但由于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沖擊強化效果的穩(wěn)定性尚不清楚， 目 前， 國內(nèi)未見相關(guān)報道。因此本實驗研究激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金及溫度作用下微觀組織和殘余壓應(yīng)力分布， 探討激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度影響下的熱穩(wěn)定性， 為實現(xiàn)激光沖擊強化技術(shù)在 GH4133 鎳基高溫合金部件上的工程應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

實 驗

實驗材料為 GH4133 鎳基高溫合金, 成分如表 1。

為了對比研究溫度對激光強化 GH4133 鎳基高溫合金的穩(wěn)定性影響， 設(shè)計了 3 種不同表面狀態(tài)， 分別是： 第 1 組： 未處理試樣； 第 2 組： 將試樣進行激光沖擊強化處理； 第 3 組： 將試樣進行激光沖擊強化處理后在 500 ℃下保溫 1 h。

為了保證激光誘導(dǎo)等離子體沖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(jù) GH4133 鎳基高溫合金的Hugoniot 彈性極限（HEL），提出沖擊波峰值壓力與激光功率密度的關(guān)系經(jīng)驗公式估算引起材料動態(tài)塑性變形所需的功率密度； 然后根據(jù)激光功率密度和能量關(guān)系公式換算出激光能量范圍。

式中， P 為沖擊波峰值壓力(GPa)， α 是效率系數(shù)， A 為吸收率， 約束層為水、 吸收層為膠帶的情況下 α=0.24，A=0.87； Z為水和膠帶折合阻抗， 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 為激光的輸出功率密度(GW/cm 2 )。

I=E/τS (2)

式中，E為激光器輸出能量（J），τ為激光脈沖（ns），S為光斑面積（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范圍為4.29 GW·cm -2 ， 本 GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強化采用 Nd:YAG 固體激光器， 其工藝參數(shù)為： 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、 強化后保溫試樣橫截面的形貌； 顯微硬度測試設(shè)備為 MVS-1000JMT2顯微硬度計， 載荷為 200 g、 加載時間為 15 s。 殘余應(yīng)力測試采用 X-350A型 X射線應(yīng)力儀對試樣的表面和截面應(yīng)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 500 ℃。

高溫疲勞性能

對未強化、強化 2 種狀態(tài)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(shù)據(jù)進行分析和處理， 其結(jié)果如表 2 所示。

從表 2 中可知。 GH4133 鎳基高溫合金試樣不同狀態(tài)的疲勞壽命分別為： 原始試樣為1.12× 10 5；激光沖擊強化后在500℃溫度下的疲勞壽命為2.62× 105 ， 是未處理試樣的 2.34倍。

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

微觀組織熱穩(wěn)定性分析

不同狀態(tài)激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金的截面微觀組織如圖 1 所示， 從圖中可以看出， GH4133 合金基體組織由等軸晶組成（圖 1a）， 晶粒較大， 在 100~400μm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金其微觀組織是在 γ奧氏體基體上分布著許多細小而均勻的 γ’沉淀強化相，以及變形和強化過程產(chǎn)生的大量細化的晶粒和孿晶組織（圖 1b）。 相比于激光沖擊強化試樣， 在 500 ℃下保溫 1 h 后的 GH4133 鎳基高溫合金的微觀組織如圖 1c、1d、 1e 所示， 由于溫度的作用， 激光沖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(fā)生長大，晶界更加清晰， 組織更加均勻的分布， 并在 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 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 γ’。

殘余應(yīng)力熱松弛分析

GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊保溫前后的殘余應(yīng)力如圖 2 所示。

從圖中可以看出， GH4133 鎳基高溫合金基體的殘余壓應(yīng)力在–59 MPa， 而經(jīng)過激光沖擊強化后的殘余最大值為–381 MPa， 影響深度大于 0.8 mm， 而經(jīng)過 500 ℃保溫 1 h 處理后， 表層的殘余壓應(yīng)力為 302 MPa， 下降了 20%， 但保溫后 GH4133 鎳基高溫合金的殘余壓應(yīng)力仍高于基體的值， 影響深度大于 0.8 mm， 且隨著距表面深度的增加， 殘余壓應(yīng)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(tài)的截面顯微硬度如圖 3 所示。 從圖中可以看出， 未處理試樣的顯微硬度在 4500 MPa 左右， 而經(jīng)過激光沖擊強化后顯微硬度達到 5700 MPa， 明顯高于基體的顯微硬度值， 影響深度達到 2 mm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金經(jīng)過保溫處理后， 表面硬度值高于激光沖擊后試樣的硬度值， 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， 激光沖擊強化過程產(chǎn)生的等離子體沖擊波使 GH4133 鎳基高溫合金的表面組織細化， 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(gòu)成， 晶內(nèi)有退火孿晶貫穿整個晶粒， 激光沖擊強化后保溫處理， 相當于低溫形變熱處理， 使得激光沖擊強化冷變形過程形成的晶粒被拉長， 形成細條狀， 產(chǎn)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；由于變形的不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力； 當變形量很大時，這些組織結(jié)構(gòu)的變化使高溫合金強度增加， 塑性下降，這種不穩(wěn)定狀態(tài)不能直接使用， 在500 ℃保溫處理后，除機械孿晶外， 通過原子擴散發(fā)生回復(fù)， 使晶格扭曲減輕， 減小內(nèi)應(yīng)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(yōu)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， 同時釘扎在晶界及亞晶界上塊狀析出，使得激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理后， 合金保持組織穩(wěn)定性。因此， 激光沖擊強化 GH4133鎳基高溫合金在 500 ℃以下可以長期使用。

另一方面材料的疲勞性能與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要包括晶粒尺寸、 亞晶粒尺寸、 晶體晶格畸變（微觀應(yīng)力） 等。 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金使得晶粒尺寸減小， 數(shù)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， 同時抑制裂紋的萌生，有效阻止疲勞裂紋的擴展。

殘余應(yīng)力場的影響

由圖 2 可知， 經(jīng)過激光沖擊強化后 GH4133 鎳基高溫合金材料表層產(chǎn)生了深度大于 0.8 mm 的殘余壓應(yīng)力場， 表面殘余壓應(yīng)力可達 381 MPa， 經(jīng)過保溫處理后，激光沖擊強化過程在材料表層形成的殘余壓應(yīng)力部分釋放， 但仍有較高的殘余壓應(yīng)力殘留在材料表層， 而且在溫度的作用下殘余壓應(yīng)力沿深度方向的梯度減緩， 使得殘余壓應(yīng)力分布更加的均勻， 且分布深度大于 0.8mm。 這一點在顯微硬度沿深度的分布中得到同樣的結(jié)果， GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強化后保溫的顯微硬度值增加的深度大于 0.8 mm。

由于材料的疲勞性能與殘余應(yīng)力有關(guān)， 殘余應(yīng)力在疲勞載荷中起著平均應(yīng)力的等效作用， 殘余壓應(yīng)力相當于負的平均殘余應(yīng)力， 它能提高工件的抗疲勞強度； 殘余拉應(yīng)力相當于正平均應(yīng)力， 它降低了工件的抗疲勞強度。 殘余壓應(yīng)力增大， 可顯著提高材料的疲勞性能， 抑制裂紋的萌生， 延長疲勞壽命。

因此， 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下， 殘余壓應(yīng)力部分釋放， 沿深度方向的梯度減緩，與細化晶粒、 變形孿晶、 析出相共同作用， 強化效果仍發(fā)揮作用， 具有很好的熱穩(wěn)定性， 有利于提高 GH4133材料的疲勞性能。

結(jié) 論

1) 在 500 ℃溫度作用下， 激光沖擊強化 GH4133鎳基高溫合金產(chǎn)生的細化晶粒未發(fā)生長大， 析出相細小均勻， 強化效果更好， 釘扎在晶界及亞晶界上， 使得激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在低溫處理后， 合金保持組織穩(wěn)定性。

2) 在500 ℃溫度作用下， 激光沖擊強化后 GH4133合金產(chǎn)生的表層殘余壓應(yīng)力有部分釋放， 下降了 20%，但分布的深度大于 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) 激光沖擊強化后在 500 ℃溫度下的疲勞壽命為2.62×10 5 ， 是原始試樣的 2.34 倍。

4) 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金熱穩(wěn)定性由兩部分組成: 一方面， 在溫度作用下， 激光沖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(wěn)定性； 另一方面， 殘余壓應(yīng)力等在溫度作用下部分釋放， 梯度減緩， 穩(wěn)定性好。 這兩者共同作用提高了 GH4133 的疲勞性能。