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)動機領(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)動機關(guān)鍵零部件加工的先進技術(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[3-4]，能夠很好地滿足航空發(fā)動機制造中材料特殊、加工難度大以及加工批量大的獨特需求。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)溶解機理，為GH4169合金電解加工的實際應(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GH4169高溫合金表面完整性和力學(xué)性能影響的研究報道較少，缺乏與傳統(tǒng)機械加工方式的對比。本研究對比了電解加工和機械加工兩種方式對航空發(fā)動機用 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、實驗

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)量分數(shù)計)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，進給速率約1.4mm/min，溫度約 30℃，占空比 30%，頻率0.6 kHz。

1.2.2機械加工

機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，負值代表殘余壓應(yīng)力。

1.3.2力學(xué)性能試驗

力學(xué)性能試驗包括高溫持久試驗和室溫振動疲勞試驗，試樣尺寸分別見圖 1 和圖 2。高溫持久試驗按照GB/T 2039–2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》進行，試驗溫度 680℃，應(yīng)力 690 MPa，以斷裂時間和延伸率為指標來評估高溫持久性能。室溫振動疲勞試驗按照 HB 5277–1984《發(fā)動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》在室溫下進行，應(yīng)力選擇680MPa和600MPa兩個水平，以試樣的疲勞壽命(N)為指標來評價室溫疲勞性能。

2、 結(jié)果與討論

2.1加工方式對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，這可能是因為不同相的成分有差異，在電解加工過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)力集中越強烈，越容易引發(fā)疲勞裂紋[16]。從圖 4 可知，機械加工表面的機加刀痕較規(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，殘余壓應(yīng)力約為?50 MPa。這是金屬材料機械加工表面殘余應(yīng)力的典型變化趨勢，其中最表層的拉應(yīng)力和大幅的應(yīng)力變化可能會導(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

機械加工與電解加工對材料的去除方式不同，對材料表面晶粒取向造成的影響也就不同。從圖 6 可知，機械加工試樣靠近表面區(qū)域存在較薄的細晶層，厚度為幾個μm。這是由于在機械加工過程中材料表面發(fā)生強烈的塑性變形，引起表面晶粒細化甚至破碎。電解加工試樣表面完全觀察不到細晶層，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，機械加工試樣的平均持久拉伸斷裂時間為 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間為 33.89 h，斷裂后的平均延伸率為 15.98%?？梢妰煞N方式加工后GH4169G 試樣的高溫持久性能相當，表明加工方式對高溫持久性能的影響不明顯。

2.2.2室溫振動疲勞性能

室溫振動疲勞性能是航空發(fā)動機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。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GH4169G 高溫合金室溫振動疲勞性能的影響更大。

3、 結(jié)論

(1) 相比于機械加工，GH4169G 高溫合金電解加工后的表面無明顯的機加刀痕及晶粒細化或破碎的變形層，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械加工相當，而室溫振動疲勞壽命低于機械加工，這可能是由于其表面粗糙度較大。

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