冷挤压强化对GH4169合金孔结构室温低循环疲劳寿命影响

许春玲,王 欣,宋颖刚,王 强,罗学昆,汤智慧

（1.中国航发北京航空材料研究院 表面工程研究所，北京 100095；2.中国航发北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空重点实验室，北京 100095）

GH4169合金具有良好的疲劳和蠕变性能，能承受复杂应力变化并能在严苛的环境下服役，被大量应用于航空发动机涡轮盘、压气机盘等重要零部件[1-3]。由于螺栓连接、均压等需要，盘件设置有螺栓孔或均压孔。孔结构在发动机服役过程中受到高温和交变载荷作用，同时应力集中显著；若发生疲劳失效，将导致严重的安全问题[4-5]。

从工艺角度提高孔结构的疲劳性能，可采用喷丸强化、激光冲击强化、冷挤压等表面强化工艺，引入残余应力场，缓和外加拉应力，提高孔结构的疲劳抗力。喷丸[6]被大量应用于镍基高温合金轮盘表面，但针对孔结构，其存在残余应力场深度小、表面粗糙度高等问题；同样，激光冲击强化[7]也存在可达性差、工艺过程复杂的问题，未能在发动机轮盘孔结构得到应用。相比之下，冷挤压强化工艺过程简单、强化效果好，在航空领域得到了大量应用[8-10]。冷挤压强化利用一定过盈量的芯棒强行通过孔结构产生周向塑性形变，在孔壁引入残余压应力和组织强化层，在产生较小塑性变形量的前提下实现孔边可控的深层高值残余压应力，且能在高温和高交变载荷下更加稳定地保持，因而更适用于提高孔结构疲劳性能。目前国内外针对高温合金、高强度铝合金等材料开展了一系列冷挤压强化工艺的研究。龚澎等[11]发现采用4%～6%的挤压量对两种铝合金厚板进行挤压强化，7B50-T7451厚板的疲劳寿命提高28倍，而7050-T7451厚板的疲劳寿命仅提高4.5倍。罗学昆等[12]的研究结果显示1.90%过盈量的Inconel718中心孔试样的疲劳寿命增益效果优于2.85%过盈量的试样。

此前高温合金孔挤压强化研究多针对高温交变载荷下的疲劳[12-13]，而发动机启动时，轮盘在接近室温状态下受到一次拉应力作用，反复启动过程中孔结构受到较低温度的拉应力交变作用。

本研究重点针对室温低循环疲劳，研究挤压前后中心孔板材疲劳性能的变化，并分析疲劳过程残余应力的演化。

1 实验材料及方法

原材料为GH4169合金锻造盘坯，化学成分（质量分数%）为：C 0.04，Cr 19.97，Ni 52.34，Co 0.55，Mo 3.04，Al 0.51，Ti 0.96，Nb 5.22，Fe余量。采用固溶965 ℃/1 h+一级时效720 ℃/1 h+二级时效625 ℃/8 h的标准热处理，力学性能如表1所示。中心孔板材试样在盘坯上下料，下料方向为径向，试样如图1所示，初孔尺寸为

表1 GH4169高温合金的力学性能Table 1 Mechanical property of GH4169 superalloy

挤压前用丙酮清洗孔壁，再涂覆润滑剂，确定干燥后进行挤压。挤压过程为：①安装专用的连接轴和鼻顶帽；②清理鼻顶帽的接触部位；③将试样置于鼻顶帽之上；④将芯棒穿过中心孔固定在连接轴上；⑤启动设备，使芯棒通过中心孔完成挤压过程。芯棒进入端为进口，挤出端为出口。

采用Quanta 600环境扫描显微镜观察疲劳试样断口形貌。采用PROTO LXRD型X射线衍射仪测定冷挤压强化后的孔边残余应力场分布情况，以及疲劳过程残余应力场的演化，分别在循环数为1、10、1000、10000、20000、30000、50000周次下停机卸载后完成应力场分析，测试条件为MnKα靶，测试方向为试样长度方向。在MTS-810疲劳试验机上进行轴向加载疲劳实验，实验参数如下：σmax=663 MPa，T=20 ℃，应力比R=0.1，载荷频率f=4 Hz。采用FTS-I120型表面轮廓仪测试孔壁表面粗糙度值。

图1 中心孔板材试样（a）正视图；（b）侧视图Fig.1 Plate specimen with central hole（a）front view；（b）side view

2 结果与分析

2.1 疲劳性能与断口

在663 MPa/20 ℃下，原始和冷挤压后疲劳寿命如表2所示，可知：①相比原始试样的中值疲劳寿命估计量33909周次，冷挤压强化后为88688周次，是原始试样的2.6倍；②冷挤压前后中心孔板材试样疲劳寿命方差均小于0.002，说明分散度都很小；③冷挤压强化试样的最短疲劳寿命80568周次是未挤压试样的最长疲劳寿命38583周次的2倍。由参考文献[12]可知，在663 MPa/600 ℃、同样结构中心孔板材条件下，GH4169合金中值疲劳寿命估计量40411周次，大于本研究结果33909周次；此外，文献[1]可知，在Kt=3、R=-1、轴向加载的条件下，该合金300 ℃/1×107条件疲劳极限为122 MPa，低于650 ℃/1×107条件疲劳极限173 MPa。上述结果说明：冷挤压可实现中心孔板材试样室温疲劳强化；GH4169合金在较低的温度下缺口疲劳性能敏感性更强。

图2为原始试样和冷挤压试样的疲劳断口形貌。其中，图（a）和图（b）分别为中心孔试样3-1-12同侧断口的两个断面，图（c）和图（d）分别为中心孔试样6-5-3同侧断口的两个断面。可以看出，无论是原始试样还是挤压试样，两个截面均萌生了疲劳裂纹，但裂纹位置差别明显。原始试样的疲劳源萌生于孔壁位置，呈现多源特征；经过冷挤压强化后，疲劳源位置转移到进口端倒角位置，呈现单侧单源特征。

2.2 疲劳强化机理分析

2.2.1 残余应力的变化

对于室温下的疲劳性能，残余应力是疲劳强化的重要原因[14]。图3为挤压后沿孔壁深度的残余应力场分布，可知经过冷挤压后，进出口残余压应力场四特征分别为：①表面残余压应力-563 MPa、-651 MPa；②最大残余压应力-581 MPa、-651 MPa；③最大残余压应力位置在距离孔壁400 μm、0 μm处；④残余压应力场深度均大于1.4 mm。表面存在数值较大的残余压应力梯度可以抵抗外加拉应力的作用，延长萌生寿命；在深度方向，产生深度大于1400 μm的残余压应力场，可以在疲劳过程中产生裂纹扩展抗力，提高扩展寿命，因此起到疲劳强化的作用。此外，还可观察到，出口端残余压应力数值大于进口端，这可能与挤压使孔壁金属发生塑性流动，导致实际挤压过程中过盈量逐步加大有关；结合疲劳断口起源分析，挤压强化后，进口端残余应力数值较小，则抵抗外载能力弱于出口端，而两者在疲劳过程中的受力状态接近，导致挤压后试样疲劳源出现在残余应力较小的进口端。

表2 冷挤压前后疲劳寿命对比Table 2 Comparison of fatigue life as-received and CE

图2 原始试样和冷挤压试样的断口形貌（a）3-1-12断口（左）；（b）3-1-12断口（右）；（c）6-5-3断口（左）；（d）6-5-3断口（右）Fig.2 Fatigue fractures of as-received and CE specimens（a）No.3-1-12（left）；（b）No.3-1-12（right）；（c）No.6-5-3（left）；（d）No.6-5-3（right）

图3 挤压后沿孔壁深度的残余压应力场分布Fig.3 Residual stress profile along depth of hole wall after CE

同时也有文献指出，残余压应力在循环载荷作用下存在不稳定的特点，会发生松弛。部分研究表明残余应力松弛主要发生在初始的100个循环周次内，初始的10个周次发生较大程度松弛[15-16]。在本研究的663 MPa/20 ℃条件下，冷挤压强化残余应力随循环周次的演化规律如图4所示。从图中可以看出：①循环1个周次，残余压应力数值增大；②循环10个周次，残余压应力发生较大程度松弛；③循环10个周次后，随循环周次增加，残余压应力松弛不明显；④循环50000个周次与循环0个周次相比，进口端与出口端表面残余压应力分别松弛约45%和25%。

由此可见，残余压应力的松弛过程受到外加载荷的影响。对残余压应力随周次演化的特点，有如下解释。首次加载时，由于孔结构应力集中系数超过Kt=2，实际载荷（663 MPa×Kt）超过材料屈服极限（表1中的1 200 MPa），发生应变硬化作用，作用与冷挤压过程的塑性形变过程类似，全系统形变能进一步增加，使得循环1个周次，残余压应力数值略有增大，即发生单次变形的“硬化作用”；继续循环加载在10个周次以内，在外加应力下位错不断发生移动和消除，系统塑性形变能减小，导致位错密度减小，残余压应力数值明显减小，即发生“循环软化作用”；继续施加循环载荷，由于此前的应变硬化作用，使得加载拉应力与稳定残余压应力之和小于“应变硬化后的弹性极限”，系统塑性形变能不变，则残余应力无明显松弛，处于较稳定状态。

应该看到，即使经过50000周次循环，进出口端残余应力仍然保持了55%和75%，表面残余压应力数值分别为300 MPa和450 MPa，上述稳定的残余压应力与外加拉应力叠加，减小了拉应力幅，对疲劳性能起到了强化作用。进口端应力仍然小于出口端，这是进口端萌生疲劳裂纹的原因。

2.2.2 表面粗糙度

表3为冷挤压前后的孔壁表面粗糙度值。原始试样的孔壁表面粗糙度为0.354 μm，经过冷挤压孔壁表面的粗糙度降低到0.297 μm。冷挤压过程可以降低孔壁的表面粗糙度。研究[17-18]表明，表面粗糙度值可以反映材料表面应力集中情况，其值越大表示局部应力集中现象越严重，越易诱发疲劳裂纹的萌生。因此，表面粗糙度值越低，越有利于提高材料的疲劳抗力。

表3 冷挤压前后的孔壁表面粗糙度值Table 3 Surface roughness of hole wall before and after CE

由于原始试样不具备残余压应力场，在孔壁位置无法缓和外加拉应力作用；同时，孔壁存在粗糙度较大的机械加工刀痕，在拉应力作用下产生应力集中，进一步加剧了受力状态，导致孔壁萌生多源疲劳裂纹。相比之下，试样经过冷挤压强化后，孔壁表面粗糙度降低，孔壁加工刀痕被抚平，且孔壁处形成了一定深度的强化层，产生了残余压应力场，冷挤压对孔壁的强化作用有效抑制了应力集中，使孔壁得到了强化[19]。

3 结论

（1）在663 MPa/20 ℃条件下，冷挤压强化后GH4169中心孔板材试样的疲劳寿命是原始试样的2.6倍，强化效果显著，疲劳寿命稳定性好。冷挤压对孔壁的强化作用有效抑制了应力集中，冷挤压后疲劳源为单源且萌生于倒角，而原始试样为多源且萌生于孔壁。

（2）冷挤压强化后的中心孔板材试样在663 MPa/20 ℃条件下，循环1个周次，由于应变硬化作用，残余压应力数值增大；循环10个周次，残余压应力发生较大程度松弛；经过50000周次疲劳实验，进出口端表面残余压应力数值分别为300 MPa和450 MPa，与初始表面压残余应力相比分别保留了55%和75%。冷挤压后孔壁表面粗糙度Ra由0.354 μm减小到0.297 μm。