喷丸处理对一种第二代单晶高温合金组织行为的影响

徐盛峰 牛建平

摘 要：对经标准热处理后的第二代镍基单晶高温合金试样在不同压力条件下的进行了喷丸处理，喷丸压力分别为1MPa，2MPa，3MPa，4Mpa，5MPa，6Mpa。760°C、1100°C温度下热处理1h，经固溶处理后采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope简称SEM）研究显微组织变化规律。结果表明，1～6MPa不同压力的喷丸条件均在试样热处理后的表面均产生了影响，影响区域深度随着喷丸压力的增大而依次加深，但形成速率减慢，其增加速率与喷丸压力并非是简单的正向线性关系。热处理温度比喷丸压力对影响生长速率和厚度的影响更加明显。

关键词：单晶高温合金;喷丸影响区域;显微组织;喷丸;固溶处理

前言

航空航天使用的材料中，镍基单晶高温合金广泛地应用在飞机发动机涡轮叶片上。因为相比于其他基体的高温合金，镍基单晶高温合金有更优异的性能。原因是是它们在高温下可以几乎消除所有的晶界产生的不利影响[1-3]。然而，在制造和使用单晶高温合金的过程中会受到外界应力的作用发生塑性变形，近一步促进喷丸影响区域的形成。喷丸影响区域产生的可能性会随着外界条件的不断改变而提高或降低[4-7]。合金经表面处理如喷丸等外力作用容易产生微观变形，容易缩短单晶高温合金的使用时长。国内外学者对单晶高温合金喷丸影响区域的产生研究有了一定的突破。卫平[8]等研究了在高温合金应用过程中等一系列外界条件对其产生的影响，但计算形成喷丸影响区域后的单晶高温合金表面的残余应力难度大，在实际应用的过程中，研究应力大小对单晶高温合金喷丸影响区域的影响不可知。故本文利用在不同喷丸压力和不同热处理温度下，研究在高温合金使用期产生的外界条件对其的性能影响，防止其产生喷丸影响区域，对于指导单晶高温合金的生产及应用有较重要意义。本文章研究了新型第二代单晶高温合金合金在不同喷砂压力、不同固溶温度下的显微组织变化，研究了喷丸影响区域的深度随喷砂压力、固溶温度的变化规律。通过观察新型第二代单晶高温合金镍基单晶高温合金表层喷丸影响区域的显微组织，初步分析了喷丸影响区域随喷砂强度及固溶温度的变化规律。

1实验合金及制备方法

实验合金选用的是某种第二代镍基单晶高温合金，其成分如表1所示。对铸态单晶棒（新型第二代单晶高温合金）沿棒的圆弧侧进行线切割，得到尺寸合适的热处理试样。把热处理试样封入石英管进行真空处理。标准热处理制度为（1280℃/2h+1300℃/4h AC，1100℃/5h AC，850℃/16h AC）。对热处理后的试样进行喷丸处理，喷丸压力依次为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa，喷丸时间为60s，丸粒为钢玉砂，喷丸机器枪头与试样的距离为20cm。对经喷丸处理后的样品分别进行760℃和1100℃的固溶处理。再对经喷丸处理和热处理的样品利用金相镶嵌机热镶成尺寸为Ф22mm的样品，经金相处理后观察合金的组织。合金试样的腐蚀液为 HCl（20ml）+CuSO4（5g）+H2O（100ml）。采用扫描电子显微镜观察不同条件下合金的喷丸影响区域组织。

2实验结果及分析

2.1未受喷丸影响区域的热处理态组织

图1为单晶高温合金新型第二代单晶高温合金热处理态试样在腐蚀后在扫描电子显微镜下观测到的显微组织，可以观察到有大量的立方体γ'相与γ相组成的显微组织。可以明显地看到单晶高温合金新型第二代单晶高温合金热处理试样的显微组织在整个界面上排列规则，尺寸大小相近，位置均匀分布。

图2（a）、（b）为经喷丸处理后的热处理态试样在腐蚀后经扫描电子显微镜下观察到的显微组织。可以观察到喷丸影响区内的γ'相均发生形变，由规则状的显微组织结构变得不规则，且变形程度从表面向内部逐渐变小，但直到内部γ'相依然是规则状的组织显微结构。经图（a）、（b）对比可观察出经喷丸处理后，随着喷丸压力的增加，喷丸影响区域影响区深度越深。γ'相受影响的区域越深。

2.2热处理态喷丸影响区域扫描组织分析

图3（a）、（b）分别为5MPa，经60s喷丸后的试样经760℃/1h、1100℃/1h不同的固溶处理后试样边缘和内部的显微组织。在此喷丸条件下可以观察到明显存在喷丸影响区域，喷丸影响区域影响区的深度随着固溶处理温度的升高而加大。影响区的面积与固溶处理的温度有关。由于单晶高温合金内部元素偏析，不同的晶粒与晶粒之间的溶质成分到达了共晶的条件，便析出大量的共晶相，同时由于单晶高温合金内部元素的浓度差异而产生的扩散效应，析出的共晶相尺寸大小狭长[9]。喷丸影响区域对高温合金的力学力学性能以及今后的使用过程中会产生不利的影响，因此在单晶高温合金试样热处理的过程中，应选择合适的固溶温度对合金进行处理，避免产生对单晶高温合金性能的不利影响。

影响区域深度的计算是在合金产生的喷丸影响区域区域随机选取3个位置的垂直深度，求平均值來代表影响区的深度。不同的喷丸压力、不同热处理温度后影响区的深度如表2所示。由表2可知，影响区域的深度随着喷丸压力和热处理温度的增大而加深;在同样热处理温度下，喷丸压力越大，影响区域的深度越深;在同样喷丸压力作用下，热处理温度越高，影响区域的深度越深。喷丸压力和热处理温度为喷丸影响区域的形成提供了能量。但随着喷丸压力和热处理温度的逐渐增加，影响区域的深度加深的速率变得缓慢，喷丸影响区域影响区对内部的γ'相的影响较为困难，呈现的并非是简单的正向线性关系。

2.3影响区域组织观察及分析

在高倍电子扫描显微镜下观察热处理温度为1100℃、喷丸压力为5MPa的喷丸影响区域组织形貌，影响区域处的组织形貌如图4所示。其中，图4（a）为影响区域和合金内部的边界，可明显观察出两者的不同，图4（b）可以观察合金内部交界处的晶粒排列密集。从边缘到内部尺寸逐渐增大。当固溶温度较低时，无法提供给晶粒足够的能量，晶粒不能溶解，缺少形成喷丸影响区域的重要条件。 由此证明了文献中的观点，对于含有大量γ'相粒子的单晶高温合金，γ'相粒子的溶解是喷丸影响区域产生的重要条件[11]。图4（c）、（d）为未发生喷丸影响区域区域内部进一步观察后的γ'相，此时的γ'相不呈现规则的立方状，而是近似球状形貌。γ'相的形貌发生变化的因素是外界应力产生的应变能和界面能。在较低的固溶温度下，合金试样中γ和γ'之间的错配度较大，γ'相形貌主要取决于应变能的作用，立方体具有小的应变能，应变能的降低促进γ'相长大呈规则的立方块形貌[12]。在较高热处理温度下，γ和γ'之间的错配度较小，但在此条件下界面能起主要作用，γ'相不再是立方块形貌。

3结论

（1）在固溶温度760℃、1100℃条件下，镍基单晶高温合金新型第二代单晶高温合金喷丸影响区域深度随着喷丸强度、温度的增加而增大。（2）对于单晶高温合金新型第二代单晶高温合金固溶处理的温度比喷丸强度对喷丸影响区域的影响更加显著。（3）试样经喷丸后固溶处理，影响区内γ'相的形状发生明显的变化，但合金内部未受影响区γ'相仍组织均匀。（4）镍基单晶高温合金新型第二代单晶高温合金喷丸影响区域深度与喷丸压力和热处理温度并非呈简单的正向线性关系。

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