喷丸强化对DD5单晶材料疲劳性能的影响

杨清，何杉，孟震威

世界各国为适应高推重比航空发动机发展的需要，在航空发动机的涡轮叶片制造技术中采用了单晶制造技术。单晶叶片的使用，使涡轮前温度提高55～80℃，推力增加7800N，且具有足够的寿命，也增加了可靠性。

目前，在美国及欧洲国家，涡轮叶片单晶制造技术已经有了长足的发展。世界先进航空发动机：如美国的F119、欧洲四国的EJ200及法国的M88等均采用了单晶叶片。日本、韩国等也正在积极研制使用单晶空心叶片的新型战机。为了赶超国际先进水平，适应高推重比航空发动机的发展，我国早在20世纪70年代就已经开展了单晶合金研究工作，相继研制出DD3、DD8等第一代单晶合金，并对涡轮叶片单晶制造工艺进行了一定程度的研究。喷丸强化工艺已普遍应用到航空发动机、民用发动机、船舶等行业，喷丸强化可有效延长零部件的使用寿命，提高整个发动机的寿命，降低成本。

高压涡轮工作叶片作为航空发动机的关键部件之一，直接决定了发动机的使用性能和安全性。随着发动机工作效率的提高，涡轮进气口的温度也不断升高，这使得高压涡轮工作叶片的工作条件更加恶劣，尤其是榫头连接处。因此，如何提高涡轮叶片榫头抗疲劳性能成为该领域研究的热点和重点问题。

1.试验方法

喷丸强化是用于提高材料疲劳性能的重要技术，也常应用于高压涡轮工作叶片榫头的强化。但目前国内对叶片榫头喷丸强化研究主要集中在多晶材料，而对单晶材料的喷丸强化则较少。本研究以某新型单晶材料为基体，将铸钢丸喷丸试样与陶瓷丸喷丸试样在650℃高温下进行旋转弯曲疲劳寿命的对比，并对喷丸后的表面进行分析与评价。

2.试验材料与方法

（1）试验材料 试验材料为DD5单晶高温合金，选用纯净的真空熔炼母合金在真空定向凝固炉上重熔合金、浇注并制成单晶试棒。对单晶试棒进行标准热处理，热处理制度为1300℃×4h空冷+1120℃×4h空冷+900℃×16h空冷。热处理后，采用线切割、车削及磨削等工艺将试棒加工成旋转弯曲疲劳试样和约3mm厚的试片，其中旋转弯曲试样的具体形状与尺寸如图1所示。

（2）喷丸试验 一半试样采用铸钢丸喷丸，在数控喷丸机上完成；采用喷丸强度范围为S1～S6，表面覆盖率为100%。一半试样采用陶瓷丸喷丸，在数控喷丸机上完成。喷丸试片均采用国际标准喷丸试片A型。试棒的喷丸强度见附表。

3.试验结果与分析

（1）硬度分布 图2所示为采用陶瓷丸进行不同强度喷丸强化处理对合金表层硬度分布的影响。可以看出，随着喷丸强度从C2到C4逐渐增加，从样品表面到内部，显微硬度先增加再减少，直至达到内部基体的硬度，即喷丸后样品表面形成了明显的硬化层。与此同时，随喷丸强度的增加，表面硬化层的深度也呈加深的趋势。

图1 DD5缺口疲劳试棒

图3显示了采用铸钢丸进行喷丸强化处理对合金表层硬度分布的影响。可以看出，随着喷丸强度从S3到S4逐渐增加，除了在喷丸强度较低的S1条件下硬化效果不显著外，其他条件下硬度分布变化规律与陶瓷丸喷丸一致，硬度在次表面达到极大值后逐渐降低至基体水平。也同样表现出随喷丸强度增加，硬化层增厚的规律。

（2）对疲劳性能的影响 650℃/550MPa下陶瓷丸喷丸和铸钢丸喷丸试棒疲劳寿命结果如图4所示。从图中可见，无论是采用陶瓷丸喷丸或是采用铸钢丸喷丸，喷丸强度都会使试棒的疲劳寿命有所提高。陶瓷丸喷丸疲劳寿命提高2～10倍，铸钢丸喷丸疲劳寿命平均提高4～10倍。

（3）疲劳试棒断口分析 图5给出了未经喷丸处理的试样断口。其断口呈典型的疲劳断口形貌，包括裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬断区。在裂纹萌生区可见裂纹萌生于自由表面，这主要与滑移带在样品表面的失稳扩展有关。

图6为陶瓷丸喷丸的旋转弯曲样品的疲劳断口。虽然其疲劳断口同样呈典型的裂纹萌生区、扩展区和瞬断区，但裂纹萌生的位置与未喷丸的样品不同，主要萌生于样品的次表面。

图7给出了铸钢丸喷丸的旋转弯曲样品的疲劳断口。断口均呈典型的解理断裂特征。裂纹萌生区不明显，在S5条件喷丸的样品可观察到裂纹萌生于试样内部，而S6条件喷丸的样品则未观察到明显的裂纹源。

综合比较可见，未喷丸样品的疲劳裂纹始于样品表面，陶瓷丸喷丸后样品的疲劳裂纹源移到了次表面，而铸钢丸喷丸样品的疲劳裂纹源已移到样品的内部。

4.结语

（1）无论是采用铸钢丸还是采用陶瓷丸喷丸均能提高表面显微硬度，且具有相同的趋势，从样品表面到内部，显微硬度先再减少，直至达到内部基体的硬度。此外，两种丸料喷丸后均呈现出随着喷丸强度的增加，表面硬化层深度逐渐加深的趋势。因此，在显微硬度方面，采用铸钢丸与采用陶瓷丸在一定喷丸强度下均能形成明显的硬化层。

喷丸强度试验数据

图2 陶瓷丸喷丸后样品表层硬度变化

图3 铸钢丸喷丸后样品表层硬度变化

图4 陶瓷丸和铸钢丸旋转弯曲疲劳数据

图5 未喷丸试样旋转弯曲疲劳断口

图6 典型的陶瓷丸喷丸样品断口

图7 铸钢丸喷丸样品的断口

（2）铸钢丸和陶瓷丸喷丸均能提高疲劳寿命，陶瓷丸喷丸疲劳寿命提高2～10倍，铸钢丸喷丸疲劳寿命提高4～10倍。陶瓷丸在喷丸强度C2时能达到最高疲劳寿命；而铸钢丸在喷丸强度S5时能达到最高疲劳寿命。相比较，铸钢丸的平均疲劳寿命更高。

（3）从断口来看，未喷丸样品的疲劳裂纹始于样品表面，陶瓷丸喷丸后样品的疲劳裂纹源移到次表面，而铸钢丸喷丸样品的疲劳裂纹源已移到样品内部，有助于抑制疲劳裂纹扩展。