GH4169G高溫合金是在GH4169合金中添加 P、B 等微量元素所得的一種改進(jìn)型變形鎳基高溫合金，在?250~700℃ 溫度范圍內(nèi)具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕、加工及焊接性能，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，可用于加工盤、環(huán)、葉片、軸等眾多關(guān)鍵零部件[1-2]。

電解加工技術(shù)是目前國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件加工的先進(jìn)技術(shù)之一，具有無工具損耗，不受材料自身力學(xué)性能限制，加工效率高等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，能夠很好地滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中材料特殊、加工難度大以及加工批量大的獨(dú)特需求。因此，國內(nèi)外在高溫合金尤其是GH4169合金的電解加工方面開展了大量研究工作[5-6]。

Tang 等[7]研究了GH4169合金在電解加工過程中的電化學(xué)溶解機(jī)理，為GH4169合金電解加工的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。南京航空航天大學(xué)[8-10]、北京航空制造工程研究所[11-13]等單位長期致力于GH4169等高溫合金電解加工技術(shù)的研究，并取得了可喜的成績。

然而，國內(nèi)在GH4169等高溫合金電解加工領(lǐng)域的研究主要關(guān)注于工藝參數(shù)優(yōu)化和陰極參數(shù)(如形狀、旋轉(zhuǎn)速率、旋轉(zhuǎn)方式等)[14-15]方面，有關(guān)電解加工對(duì)GH4169高溫合金表面完整性和力學(xué)性能影響的研究報(bào)道較少，缺乏與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式的對(duì)比。本研究對(duì)比了電解加工和機(jī)械加工兩種方式對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用 GH4169G高溫合金表面完整性及力學(xué)性能的影響，為電解加工技術(shù)的工程化應(yīng)用提供理論支撐。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1材料

GH4169G高溫合金的尺寸為130mm×50mm×3mm，名義化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))為：Ni 50%~55.0%，Cr 17.0%~21.0%，Mo 2.80%~3.30%，Al 0.30%~0.70%，Ti 0.75%~1.15%，C≤0.08%，Co≤1.0%，F(xiàn)e 余量。

1.2加工工藝

1.2.1電解加工

電解加工采用 10% NaCl 電解液，電壓 35 V，進(jìn)給速率約1.4mm/min，溫度約 30℃，占空比 30%，頻率0.6 kHz。

1.2.2機(jī)械加工

機(jī)械加工主要包括切削和磨削：切削深度約 15mm，車床轉(zhuǎn)速320r/min，進(jìn)給量約30mm/min；磨削深度 0.01~0.02mm，砂輪轉(zhuǎn)速 10~20m/s。

1.3性能測試

1.3.1表面完整性分析

采用 JEOL JSM-7900F 型掃描電子顯微鏡(SEM)及其搭載的電子背散射衍射系統(tǒng)(EBSD)分析樣品表面的顯微組織結(jié)構(gòu)。采用 ZYGO NeXView 型白光干涉三維形貌儀分析樣品的表面輪廓，并檢測表面粗糙度。采用Proto iXRD 殘余應(yīng)力分析儀檢測樣品的殘余應(yīng)力，正值代表殘余拉應(yīng)力，負(fù)值代表殘余壓應(yīng)力。

1.3.2力學(xué)性能試驗(yàn)

力學(xué)性能試驗(yàn)包括高溫持久試驗(yàn)和室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試樣尺寸分別見圖 1 和圖 2。高溫持久試驗(yàn)按照GB/T 2039–2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度 680℃，應(yīng)力 690 MPa，以斷裂時(shí)間和延伸率為指標(biāo)來評(píng)估高溫持久性能。室溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)按照 HB 5277–1984《發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及材料振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法》在室溫下進(jìn)行，應(yīng)力選擇680MPa和600MPa兩個(gè)水平，以試樣的疲勞壽命(N)為指標(biāo)來評(píng)價(jià)室溫疲勞性能。

2、 結(jié)果與討論

2.1加工方式對(duì)GH4169G 高溫合金表面完整性的影響

2.1.1表面形貌

從圖 3 可知，經(jīng)機(jī)械加工后GH4169G高溫合金表面存在明顯的加工刀痕。經(jīng)電解加工后，GH4169G 高溫合金表面變得雜亂，局部存在晶界(見圖 3b 方框區(qū)域)，晶界上有針狀δ相，晶粒內(nèi)部較平整，這可能是因?yàn)椴煌嗟某煞钟胁町悾陔娊饧庸み^程中的溶解速率不同。

2.1.2表面粗糙度

一般表面粗糙度越大，局部應(yīng)力集中越強(qiáng)烈，越容易引發(fā)疲勞裂紋[16]。從圖 4 可知，機(jī)械加工表面的機(jī)加刀痕較規(guī)則，與圖 3a 一致，其表面粗糙度約為 0.256μm。電解加工表面的粗糙度約為0.408μm，高于機(jī)械加工表面。圖 4b 顯示的紅色凸出區(qū)域的位置與圖3b中的晶界基本吻合，推測是由于電解加工過程中 GH4169G合金中不同相的溶解速率差別較大，即晶界處的δ相比基體相γ相及增強(qiáng)相 γ′相和 γ′′相的溶解可能更慢。

2.1.3表面殘余應(yīng)力

一般而言，殘余拉應(yīng)力會(huì)顯著降低材料的疲勞極限，縮短疲勞壽命；殘余壓應(yīng)力則能夠有效抑制疲勞裂紋的萌生和發(fā)展，從而提高疲勞極限，延長疲勞壽命[17]。從圖 5 可知，GH4169G 高溫合金機(jī)械加工試樣表層10 μm 深度內(nèi)均呈現(xiàn)殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，最大約 400 MPa；之后表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，最大約?250 MPa；隨著深度增大，壓應(yīng)力逐漸減小，距表面100μm 處時(shí)，殘余壓應(yīng)力約為?50 MPa。這是金屬材料機(jī)械加工表面殘余應(yīng)力的典型變化趨勢(shì)，其中最表層的拉應(yīng)力和大幅的應(yīng)力變化可能會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生。GH4169G 高溫合金電解加工試樣從表面到內(nèi)部的殘余應(yīng)力變化幅度較小，基本保持在100MPa以內(nèi)，這表明電解加工表面殘余應(yīng)力較平穩(wěn)，不易產(chǎn)生疲勞裂紋。

2.1.4晶粒取向

機(jī)械加工與電解加工對(duì)材料的去除方式不同，對(duì)材料表面晶粒取向造成的影響也就不同。從圖 6 可知，機(jī)械加工試樣靠近表面區(qū)域存在較薄的細(xì)晶層，厚度為幾個(gè)μm。這是由于在機(jī)械加工過程中材料表面發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，引起表面晶粒細(xì)化甚至破碎。電解加工試樣表面完全觀察不到細(xì)晶層，表層晶粒的邊緣整齊，說明電解加工過程中表面只是發(fā)生均勻腐蝕，并沒有明顯的塑性變形。

2.2加工方式對(duì)GH4169G 高溫合金力學(xué)性能的影響

2.2.1高溫持久性能

高溫持久性能是保證高溫合金零部件安全服役的重要參數(shù)之一。從表 1 可知，機(jī)械加工試樣的平均持久拉伸斷裂時(shí)間為 33.19 h，斷裂后的平均延伸率為 18.76%；電解加工試樣平均持久斷裂時(shí)間為 33.89 h，斷裂后的平均延伸率為 15.98%。可見兩種方式加工后GH4169G 試樣的高溫持久性能相當(dāng)，表明加工方式對(duì)高溫持久性能的影響不明顯。

2.2.2室溫振動(dòng)疲勞性能

室溫振動(dòng)疲勞性能是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的重要性能之一。如圖 7 所示，在600MPa和680MPa 應(yīng)力下，機(jī)械加工試樣的疲勞壽命均大于電解加工試樣，但處于同一數(shù)量級(jí)。一般而言，GH4169G試樣表面粗糙度越大，表面殘余應(yīng)力呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)越明顯，應(yīng)力值越大，則疲勞性能越差。結(jié)合圖 4 和圖 5 可知，表面粗糙度對(duì)GH4169G 高溫合金室溫振動(dòng)疲勞性能的影響更大。

3、 結(jié)論

(1) 相比于機(jī)械加工，GH4169G 高溫合金電解加工后的表面無明顯的機(jī)加刀痕及晶粒細(xì)化或破碎的變形層，表面粗糙度略高，且表面殘余應(yīng)力變化幅度較小，基本保持在100MPa以內(nèi)。

(2)GH4169G 高溫合金電解加工后的高溫持久性能與機(jī)械加工相當(dāng)，而室溫振動(dòng)疲勞壽命低于機(jī)械加工，這可能是由于其表面粗糙度較大。

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