GH4169高温合金车削表面完整性对疲劳性能的影响

武导侠，张定华，姚倡锋

(西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072)

GH4169高温合金车削表面完整性对疲劳性能的影响

武导侠，张定华，姚倡锋

(西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安 710072)

通过车削和旋转弯曲疲劳实验，研究直接时效态GH4169高温合金车削进给量对表面完整性的影响，以及表面完整性对疲劳寿命的影响。结果表明：当进给量f从0.2 mm/r减小到0.02 mm/r时，表面粗糙度Ra从1.497 μm减小到0.431 μm；表面残余应力从拉应力状态逐渐转变为压应力状态；表面塑性变形层从8 μm减小到2 μm左右；表面应力集中系数是GH4169疲劳寿命的主要影响因素，随着表面应力集中系数增大，疲劳寿命显著下降；在实验参数范围内，当f=0.13 mm/r时，可获得好的表面完整性，表面应力集中系数Kst为1.166，表面显微硬度为405.27HV0.025，表面残余应力为82.08 MPa，获得的平均疲劳寿命为6.98×104周次；车削表面疲劳断口具有多源疲劳断裂特征，疲劳源起始于试件加工表面的缺陷处。

GH4169合金；表面应力集中系数；残余应力；显微硬度；疲劳寿命

GH4169高温合金(国外牌号为Inconel 718)是以fcc奥氏体为基，以γ″-Ni3Nb为主要强化相，并辅以γ′-Ni3(Al，Ti，Nb)强化的镍基高温合金[1]。GH4169高温合金具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性。尤其在650 ℃高温下，其力学性能具有很好的稳定性，能够在600～1200 ℃下承受一定的工作压力；因此，GH4169高温合金被广泛地制造工作叶片、导向叶片、涡轮盘和燃烧室等[2]。

表面完整性是指零件加工所形成的表面和表层特征，包括表面粗糙度、表面形貌、表面应力集中系数、残余应力、显微硬度、微观组织等。现有研究表明，高强度合金构件具有明显的疲劳强度应力集中敏感性，高强度构件疲劳失效中80%以上的裂纹从加工刀痕、划伤或夹杂物等缺陷处起始[3-4]。表面完整性的优劣对于构件的疲劳性能有着重要的影响，在高强度合金的加工中必须重视对表面完整性的控制。

Thakur等[5]应用K20硬质合金刀具高速切削Inconel 718时发现，当切削速率vc介于45～55 m/min之间，进给量f为0.08 mm/r时，得到最佳的表面质量。Akhtar[6]发现小的切削进给量，中等的切削速率和切削深度可获得较好的GH4169表面完整性。刘维伟等[7]发现GH4169的表面粗糙度随车削速度的增加而减小，随进给量和切削深度的增加而增大；减小进给量，降低车削速率可减小残余应力；显微硬度随车削速率的增大而增加。Amini等[8]发现在使用陶瓷刀具高速切削Inconel 718时，切削速率与进给速率对表面粗糙度的影响比切削深度要明显许多，且在速率为200 m/min、进给量为0.08 mm/r、切深为0.4 mm时得到最小粗糙度0.894 μm。Pawade等[9]研究发现，采用较高的切削速率，较低的进给量和中等切深，并使用刃磨过的切削刃加工Inconel 718时，能保证已加工表面产生的是残余压应力，亚表面具有明显的加工硬化。Devillez等[10]研究了干切削Inconel 718的表面完整性，发现干切削时材料近表面出现最大拉应力，残余拉应力层深较浅，随着深度的增加，出现较深的压应力层，且峰值拉应力随着加工速度的增加而减小。姚倡锋等[11]研究了GH4169合金车削过程中的残余应力场，发现刀具磨损致使表面圆周和进给方向的残余拉应力峰值和表层残余压应力峰值均增大。金洁茹等[12]研究发现随着车削速率的增大，GH4169表面粗糙度减小，表层存在晶粒滑移，表层硬度增大，拉应力先增大后减小。武导侠等[13]发现车削进给量对GH4169表面粗糙度的影响最大；当切削速率在190～230 m/min、进给量在0.1～0.2 mm/r时，表面粗糙度Ra≤1.2 μm。杨茂奎等[14]研究发现在低周疲劳条件下，表面粗糙度是影响GH4169高温合金疲劳寿命的主要因素。

国内外学者对GH4169高温合金的车削加工进行了大量研究，并获得了切削工艺参数对GH4169高温合金表面粗糙度、残余应力和显微硬度的影响规律。目前，车削表面完整性对GH4169疲劳寿命的综合影响的研究较少。传统研究将表面粗糙度作为评价表面形貌对疲劳寿命影响的重要指标。相比表面粗糙度，表面应力集中系数作为三维表面形貌的综合评价指标能更加精确地反映表面几何形貌特征对疲劳寿命的影响。本研究以GH4169高温合金为对象，进行车削和旋转弯曲疲劳实验，研究GH4169合金车削工艺对表面完整性(表面粗糙度、表面应力集中系数、残余应力、显微硬度、微观组织)的影响，以及表面完整性对疲劳寿命的影响。

1 实验材料及方法

1.1实验材料与实验过程

采用直接时效态GH4169高温合金。表1是GH4169高温合金的化学成分。GH4169高温合金的热处理工艺为：锻后水冷+720 ℃×8 h/以50 ℃/h炉冷到620 ℃×8 h空冷。材料热处理后的力学性能见表2。为了研究车削表面完整性对GH4169高温合金疲劳寿命的影响机制，采用光滑无缺口圆棒形疲劳试样(Kt=1)进行常温下GH4169高温合金的旋转弯曲疲劳寿命实验。疲劳试件形状及尺寸设计如图1所示，试件总长52 mm，夹持部分直径为6.25 mm，工作部分圆弧半径为36 mm，最窄处直径为4 mm。

表1 GH4169高温合金化学成分(质量分数/%)[4]Table 1 Chemical composition of GH4169 alloy (mass fraction/%)[4]

表2 GH4169高温合金力学性能Table 2 Mechanical properties of GH4169 alloy

车削试样表面采用数控车削技术，刀具采用牌号为VBMT160408-F1,CP2000的车刀，刀尖圆弧半径为0.8 mm。固定机床主轴转速n=1000 r/min，切削深度ap=0.2 mm。采用4种车削进给量f，即0.2 mm/r (T1)，0.13 mm/r (T2)，0.06 mm/r (T3)，0.02 mm/r (T4)，获得4种车削表面状态。室温疲劳寿命实验在QBWP-10000高频旋转弯曲疲劳试验机上进行。载荷900 MPa；加载频率100 Hz，正弦波；应力比R=-1；实验温度为室温。

1.2表面完整性及疲劳测试

表面粗糙度和三维表面形貌采用MarSurf XT 20接触式轮廓仪进行测量。测量表面粗糙度时，取样长度为0.8 mm，评估长度为4 mm。每组疲劳试件测4条粗糙度轮廓求取平均值。测试三维表面形貌时，所选测量区域为2 mm×1 mm。表层残余应力采用LXRD MG2000残余应力测试系统进行测试。X射线管为MnKα，布拉格角为151.88°，测试电压25 kV，测试电流20 mA，光圈大小为φ1 mm，曝光时间为1 s，曝光次数为10次。采用电解抛光机对试样进行剥层，测试残余应力沿深度分布。表层显微硬度采用FEM-8000显微硬度测量系统进行测试。实验加载力为0.245 N，饱载时间为10 s。微观组织采用JSM-6360扫描电镜进行观察。疲劳断口采用场发射扫描电镜Sigma 500进行观测。

2 结果与分析

2.1GH4169车削表面完整性

2.1.1 表面粗糙度和表面应力集中系数

车削进给量对表面粗糙度高度参数(Ra，Rq，Rz，Rt)和空间参数(Rs，Rsm)的影响规律如图2所示。其中：Ra为轮廓算术平均偏差；Rq为轮廓均方根偏差；Rz为微观不平度十点高度；Rt为轮廓峰谷总高度；Rs

为轮廓单峰平均间距；Rsm为轮廓微观不平度平均间距。由图2可知，当车削进给量从0.2 mm/r变化到0.02 mm/r时，表面粗糙度越来越小，其变化规律基本呈线性，Ra从1.497 μm减小到0.431 μm。由几何因素可知，减小车削进给量可降低已加工表面残留面积的高度，同时也可以降低积屑瘤和鳞刺的高度，因而减小进给量可以使表面粗糙度值减小。

不同车削工艺下GH4169高温合金的表面形貌如图3所示。在进给方向上都呈现了有规律的波峰和波谷分布，这主要是因为车削使用具有固定几何形状的单个切削刃来生成加工表面形貌。车削参数和切削刃几何形状共同决定了试件的表面形貌。图3(a)中，表面存在严重的沟槽和耕犁现象，表面平均波峰高度和波谷深度分别为Rp=4.094 μm和Rv=3.363 μm。这主要是因为采用了大的进给量0.2 mm/r。图3(b)中，进给量为0.13 mm/r时，表面形貌出现“双波峰”现象，表面平均波峰高度和波谷深度分别为Rp=2.427 μm和Rv=2.953 μm。随着进给量的继续减小，表面形貌沿进给方向的沟槽分布越来越紧密，加工表面越来越平整。当进给量为0.02 mm/r时，表面波峰和波谷分布细密，表面平均波峰高度和波谷深度分别为Rp=1.169 μm和Rv=1.377 μm。

Arola[15]研究了表面纹理对疲劳的影响，根据标准表面粗糙度参数建立的加工表面应力集中系数计算公式如下：

(1)

表3 表面完整性和平均疲劳寿命Table 3 Surface integrity and average fatigue lives

2.1.2 残余应力分布

不同车削工艺下GH4169高温合金的残余应力分布如图4所示，由图4可以看出，试件X方向(轴向)的车削残余应力场出现明显规律，而Y方向(周向)的残余应力基本无变化。在图4(a)中，随着进给量的减小，表面残余应力从拉应力变为压应力状态，且压应力层深度逐渐增加。当进给量为0.2 mm/r时，表面残余应力σr,sur=89.74 MPa，在表面下5 μm处出现残余压应力最大值-211.21 MPa，残余压应力层深度hr=25 μm。当进给量为0.13 mm/r时，表面残余应力σr,sur=82.08 MPa，残余压应力最大值-234 MPa出现在表面下10 μm处，残余压应力层深度hr=30 μm。当进给量减小到0.06 mm/r时，表面残余应力σr,sur=-231.37 MPa，在表面下10 μm处出现残余压应力最大值-390.84 MPa，残余压应力层深度hr=25 μm。当进给量为0.02 mm/r时，表面残余应力σr,sur=-640.03 MPa，最大残余压应力出现在试件表面，残余压应力层深度hr=55 μm。

2.1.3 微观组织

图5为不同车削工艺下GH4169高温合金的微观组织图。所有工艺下微观组织都可以观察到沿晶界弥散分布的δ相，近表面均可观察到沿刀具进给方向的塑性变形层，这主要是由机械加工中的热效应和机械效应引起的。当应力达到屈服强度后，材料便会发生塑性流动，形成塑性变形层。在塑性变形层中，材料基体相和δ相均产生沿刀具进给方向的晶粒拉长和偏转。进给为0.2 mm/r时，塑性变形层深度hm=8 μm(图5(a))。当进给减小到0.13 mm/r时，塑性变形层深度hm=6 μm(图5(b))。随着进给量的进一步减小，塑性变形层深度hm减小到2 μm左右(图5(c)和(d))。

2.1.4 显微硬度分布

图6为不同车削工艺下GH4169高温合金的显微硬度分布。由图6可知，四种车削工艺下，显微硬度沿深度方向的分布规律基本一致，硬度最小值均出现在试件表面，表层存在明显的软化现象，沿深度方向硬度不断增大，当表面下深度达到25 μm左右时，显微硬度趋于一个稳定的波动范围，达到材料基体显微硬度。四种工艺下的表面显微硬度HVsur在382～409HV0.025之间，软化层深度均为25 μm左右，软化程度约为19%左右。这主要是因为GH4169合金导热系数小，在表层下5 μm左右区域聚积了过多的热量，导致硬度下降。

2.2表面完整性对疲劳寿命的影响

图7为不同车削工艺下GH4169合金的平均疲劳寿命。由图7可以看出，不同工艺加工疲劳试件的疲劳寿命均具有较大分散性。采用0.13 mm/r的进给量加工疲劳试件的寿命最高，其平均疲劳寿命表面完整性各项特征对疲劳寿命的影响如图8所示。由图8可以看出，对于车削加工GH4169高温合金，其室温旋转弯曲疲劳寿命随表面粗糙度和表面应力集中系数的增大而下降；随表面显微硬度的增大而提高。表面残余应力对疲劳寿命的影响不显著。从图8(a)和(b)可以看出，相比表面粗糙度，表面应力集中系数能更加精确的反应表面几何形貌特征对疲劳寿命的影响。

Nf=6.98×104周次。与T1，T3和T4车削工艺相比，T2车削工艺条件下的平均疲劳寿命Nf分别提高了67%，8.9%和13.1%。不同加工条件下的表面完整性和平均疲劳寿命Nf如表3所示。

零件的疲劳寿命是表面完整性各项特征综合作用的结果。图9为表面完整性对疲劳寿命的综合影响示意图。由图9可见，在常温服役状态下GH4169高温合金车削加工，表面应力集中系数是疲劳寿命的主要影响因素。随着表面应力集中系数的增大，疲劳寿命显著下降。在实验参数范围内：当f=0.13 mm/r时，表面应力集中系数Kst最小为1.166；表面显微硬度为405.27HV0.025；表面残余应力为82.08 MPa；获得的平均疲劳寿命最高，为6.98×104周次。

2.3疲劳断口分析

T2试件的疲劳断口如图10所示。疲劳断口可以分为3个区域：疲劳裂纹萌生区域(Region 1)，疲劳裂纹扩展区域(Region 2)，疲劳瞬断区(Region 3)。由图10(a)可见，GH4169合金车削表面疲劳断口具有多源疲劳断裂特征。裂纹源萌生区可观察到光滑细腻的扇形小区域，疲劳裂纹从多个方向同时以角裂纹的形式向内部扩展，在断口偏心处韧窝区逐渐汇合。由图10(b)中可观察到刀痕不连续，裂纹起源于表面加工缺陷处，可见疲劳寿命的分散性主要受样品的表面加工状态制约，改善试件的表面完整性，有助于降低疲劳寿命的分散性和提高疲劳寿命[16]。在图10(c)中可观察到大量明显的疲劳条带，疲劳条带相互平行且垂直于疲劳应力方向。图10(d)中，试样断面分布有大量韧窝。

3 结论

(1)当车削进给量从0.2 mm/r减小到0.02 mm/r时，试件表面粗糙度呈线性下降趋势，Ra从1.497 μm减小到0.431 μm；表面残余应力从拉应力状态逐渐转变为压应力状态；表面塑性变形层从8 μm减小到2 μm左右；加工表面均存在25 μm左右的软化层。

(2)在常温服役状态下GH4169高温合金车削加工，表面应力集中系数是疲劳寿命的主要影响因素。随着应力集中系数的增大，疲劳寿命显著下降。

(3)当f=0.13 mm/r时，可获得好的表面完整性，表面应力集中系数Kst为最小值1.166；表面显微硬度为405.27HV0.025；表面残余应力为82.08 MPa；获得的平均疲劳寿命为6.98×104周次。

(4)车削表面疲劳断口具有多源疲劳断裂特征，疲劳源起始于试件加工表面的缺陷处。疲劳裂纹扩展区和瞬断区可观察到明显的疲劳条带和韧窝特征。

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(责任编辑：徐永祥)

EffectofSurfaceIntegrityofTurnedGH4169SuperalloyonFatiguePerformance

WU Daoxia，ZHANG Dinghua，YAO Changfeng

(The Key Laboratory of Contemporary Design and Integrated Manufacturing Technology,Ministry of Education,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

Through turning and rotary bending fatigue test,the effect of turning feed on GH4169 superalloy surface integrity,and the effect of surface integrity on fatigue life were studied.The results show that the surface roughnessRadecreases from 1.497 μm to 0.431 μm when the turning feed decreases from 0.2 mm/r to 0.02 mm/r.The surface residual stresses are changed from tensile stress to compressive stress.The depth of plastic deformation layer decreases from 8 μm to 2 μm.The surface stress concentration factor has the most significant effect on the fatigue life of GH4169.With the increase of stress concentration factor,the fatigue life decreases significantly.Whenfis 0.13 mm/r,the surface stress concentration factorKstis 1.166;the surface micro-hardness is 405.27HV0.025;the surface residual stress is 82.08MPa;and the average fatigue life is 6.98×104cycles.The multiple cracks are initiated at the machined surface defects of GH4169 superalloy specimen.

GH4169 superalloy；surface stress concentration factor；residual stress；micro-hardness；fatigue life

10.11868/j.issn.1005-5053.2017.000100

TG51；TG146.1+5

A

1005-5053(2017)06-0059-09

2017-06-30；

2017-08-22

973项目资助

姚倡锋(1975—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事表面完整性、高速切削技术、抗疲劳制造技术方面研究， (E-mail) chfyao@nwpu.edu.cn。