鎳基高溫合金的激光沖擊表面改性研究.pdf

1、高溫合金一直被視為現(xiàn)代航空工業(yè)的“心臟”，而其中應(yīng)用最為廣泛的鎳基高溫合金更是與航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展密切相關(guān)。未來航空工業(yè)將向著更高，更快，更穩(wěn)定的方向邁進(jìn)，這對鎳基高溫合金的服役環(huán)境提出了更加嚴(yán)苛的要求，其抗疲勞、抗高溫氧化、耐熱腐蝕等性能都面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)表面強(qiáng)化工藝相比，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)以其高效、非接觸、易于實現(xiàn)自動化等特點，在材料表面改性技術(shù)中顯示了其獨特技術(shù)優(yōu)勢，成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一。
　　本文以In718鎳基

2、高溫合金為研究對象，首次開展了激光沖擊強(qiáng)化提高鎳基高溫合金綜合機(jī)械性能及其機(jī)理的研究，取得了如下主要成果:
　　(1)激光沖擊及回火穩(wěn)定性研究
　　對In718鎳基高溫合金表面進(jìn)行了多次的激光沖擊處理實驗。結(jié)果表明:激光沖擊1-3次以后，合金表面顯微硬度分別提高了14.4％，21.6％，25.2％，表面硬化層深度達(dá)到200μm以上;平均殘余應(yīng)力分別達(dá)到了-280 MPa，-360 MPa，-400 MPa，影響層深度達(dá)到25

3、0μm以上;處理區(qū)表層發(fā)生明顯的晶粒細(xì)化，部分發(fā)生了納米晶化，同時產(chǎn)生大量的位錯、孿晶、空位缺陷等亞結(jié)構(gòu)組織及缺陷。
　　在不同溫度下，對In718鎳基高溫合金回火穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明:在700℃、800℃回火3h后表面顯微硬度大幅度提高，900℃、1000℃回火3h后表面顯微硬度大幅度降低;800℃回火3h后其殘余壓應(yīng)力仍保持75％;激光沖擊后在合金表層形成的豐富亞微組織變化導(dǎo)致合金硬度對溫度反應(yīng)更加敏感，高溫回火后組織出

4、現(xiàn)回復(fù)再結(jié)晶現(xiàn)象。
　　(2)抗高溫氧化及循環(huán)氧化性能研究
　　In718鎳基高溫合金經(jīng)激光沖擊處理后，其循環(huán)氧化動力學(xué)得到有效改善，循環(huán)氧化剝落現(xiàn)象減少，抗高溫循環(huán)氧化性能提高了32.4％。在不同的溫度下氧化3h后其表面的氧化物主要有Cr2O3、NiCr2O4、Fe3O4、MoO3等;在900℃和1000℃時氧化物分層，拋去表面疏松氧化物后是一層保護(hù)性的致密堅硬黑色氧化物，其物相組成有CoCr2O4、(Fe，Cr)O3、

5、Nb2O5等;激光沖擊后合金表層擴(kuò)散通道增加，氧化物形核能降低，氧化物更加細(xì)致均勻。
　　(3)耐熱腐蝕性能研究
　　對經(jīng)過多次激光沖擊的In718鎳基高溫合金在不同溫度下的耐熱腐蝕性能進(jìn)行分析，且對其耐熱腐蝕機(jī)理進(jìn)行了深入探討，結(jié)果表明:熱腐蝕產(chǎn)物主要包括(Cr，F(xiàn)e)2O3、Fe(Cr，Al)2O4、NiCr2O4、Al2O3、NiS和Cr2S3;隨著激光沖擊次數(shù)的增加，腐蝕層漸趨細(xì)致均勻，成分得到了改善，腐蝕速率明顯降

6、低;在700℃高溫下腐蝕的三次激光沖擊試樣減重不到20(mg·cm-2)，只有原試樣的28％，耐腐蝕性能提高3倍以上;激光沖擊后合金的晶粒細(xì)化和豐富的微觀組織缺陷增加了元素的擴(kuò)散路徑，激光沖擊產(chǎn)生的高水平殘余壓應(yīng)力也是其耐熱腐蝕性能提高的重要因素。
　　(4)抗疲勞性能研究
　　在-750MPa循環(huán)應(yīng)力作用下，經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后的In718鎳基合金平均疲勞壽命提高了52％;在置信度90％、可靠度90％的情況下合金的安全疲勞壽