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im体育网页版:喷丸、激光冲击和超声纳米晶表面改性对Inconel 718疲劳强度的影响(2)

发布时间:2022-04-30 20:29:57 来源:im体育网站 作者:im体育下载

  原标题:喷丸、激光冲击和超声纳米晶表面改性对Inconel 718疲劳强度的影响(2)

  本文研究了工艺参数和各处理动能对镍基合金Inconel 718微观组织、机械性能和疲劳行为的影响。本文为第二部分。

  分别使用Olympus、VEGA\TESCAN-XMU和Mira 3-XMU显微镜,通过光学显微镜(OM)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)对处理试样的近表面微观结构进行了表征。用100毫升蒸馏水、100毫升盐酸、50克氟化氢铵、10克硫酸铜(II)和2克二硫化钾溶液蚀刻试样8秒。由于通过变形增加半最大宽度(FWHM)和通过右侧的峰值位移,Scherrer-Wilson可以有效地评估表面上的微晶尺寸。

  使用Qness GmbH Q30A显微硬度计,在15 gf的载荷下,使用维氏压头在10 s的持续时间内测量AR和处理后试样的硬度。试验在横截面表面上进行,深度可达500μm,间隔为20μm。

  在五个不同的位置进行测量,以确定主要的粗糙度参数Ra(算术平均值)、Rq(均方根)和Rt(总高度)。粗糙度参数根据ISO 4287进行评估。使用Huvitz数字显微镜HDS-5800研究表面形貌。

  使用SANTAM SAF-250通用疲劳试验设备研究了AR和处理后试样的轴向疲劳行为。疲劳试验在室温下进行,频率为20 Hz,空气相对湿度为50%。为了比较应用表面处理对疲劳寿命的影响,考虑了应力比R=0.1,最大应力设定为900 MPa的拉伸-拉伸疲劳试验。在每个应力水平下测试三个试样,以达到固定应力水平下的疲劳强度,并报告数据的平均值。

  不同表面处理后试样的横截面OM显微图如图3所示。显微镜观察表明,表面层的晶粒明显细化。对于每一个过程,与底部所示的图像相比,顶行图像对应于使用较低动能处理的样本。通过增加SP中的Almen强度和覆盖率,增加UNSM中的静载荷,以及提高LSP中的激光束能量,可以获得更高的动能。总的来说,考虑到所有系列的低能和高能处理,用较高动能处理的试样显示出较高的塑性变形表层深度。

  图3 样本的横截面OM显微照片:(a)SP,(c)UNSM和(c)LSP。与底行样本相比,顶行图像对应于每个处理使用较低动能处理的样本。

  此外,通过FESEM对处理试样的横截面进行高倍放大的微观结构观察。将生成的NS层从底层晶粒细化和加工硬化材料中分离出来的尖锐边界,可以清楚地识别出来,类似于通过基于SP和UNSM处理的材料。

  为了获得处理后试样上表面的晶粒尺寸,根据晶粒细化程度,对试样采用了两种方法:体视学分析和XRD分析。CSP、LSP1和LSP2试样经过较低的动能处理,预计其表面晶粒细化程度较低。因此,对于这些样本,顶部表面被轻轻抛光,去除约3μm非常薄的一层,然后进行蚀刻以进行OM观察和图像分析。CSP、LSP1和LSP2试样的平均晶粒尺寸分别约为30μm、35μm和26μm。对于晶粒细化程度较高的试样,包括SSP1、SSP2、UNSM1和UNSM2,使用Scherer方程测量表面微晶尺寸,通过考虑衍射峰的全宽半最大值(FWHM)来确定平均微晶尺寸。这些样品的XRD图谱如图4a和b所示。在UNSM样品中观察到晶粒尺寸和晶粒细化层范围方面最显著的晶粒细化,其次是SP和LSP处理的样品。

  图4 SSP和UNSM试样在2θ(a)30–150°,(b)42–45.5°,(c)AR和处理后试样的表面晶粒度,以及(d)SP、UNSM和LSP表面处理引起的塑性变形层深度的不同衍射角上的XRD图谱。

  图4d显示了塑性变形层的深度。变形层的深度通过OM确定。通过增加过程动能,SSP和UNSM处理的塑性变形层深度显著增加。

  图5a描绘了从顶面到芯材的AR和处理试样的显微硬度分布。结果表明,对于每种处理,较高的动能导致较高的表面显微硬度。与CSP和LSP相比,UNSM和SSP处理在提高显微硬度方面更有效。从UNSM2、SSP2、SSP1、UNSM1、LSP2、CSP和LSP1获得的表面硬度改善估计分别约为44%、35%、27%、24%、18%、15%和9%。

  图5 获得了(a)显微硬度分布(b)压应力分布(c)表面粗糙度参数和(d)在最大应力为900 MPa时的疲劳寿命的结果。

  图5b显示了从处理表面到材料深度的诱导残余压应力分布。与其他应用处理相比,UNSM引起了更高的残余压应力。与SSP2和SSP1相比,LSP2和LSP1诱发了更高的表面残余压应力。CSP试样的残余应力范围在所有系列中最低。在500 μm深度处,UNSM和SP处理诱导的残余压应力均小于−50 MPa,而LSP处理诱导的残余压应力在相同深度处约为−200 MPa。结果表明,UNSM处理能显著提高表面和深部的残余压应力场。

  图5c显示了AR和处理后试样的表面粗糙度参数。AR试样的Ra值约为0.85 μm。CSP使Ra增加4.5 μm。SSP使Ra进一步增强到4.8 μm。而UNSM和LSP的Ra值维持在3-3.5 μm左右。各处理均导致表面粗糙度增加,且随工艺动能的提高而显著增加。虽然SSP和UNSM显著提高了表面粗糙度,但LSP的表面粗糙度效应仍然有限。

  上述机械性能以及塑性变形层深度、晶粒尺寸、显微硬度、残余压应力和表面粗糙度等参数对试样疲劳行为的改变具有相对重要的影响。在固定的最大应力水平为900 MPa时,比较了不同表面处理下试件的高周疲劳寿命。如图5d所示,UNSM2、UNSM1、SSP2、LSP2、SSP1、LSP1和CSP试件的疲劳寿命提高幅度分别约为AR试件的5.25、4.69、3.71、3.21、2.32、2.06和1.65倍。表面晶粒尺寸最小、变形层和NS层深度最高、硬度和压缩残余应力最高、表面粗糙度不最高的UNSM2试样代表了最显著的疲劳寿命改善。

  考虑到CSP、SSP和OSP的不同区域,SP过程中与覆盖有关的晶粒细化和裂纹萌生机制示意图。

  上图显示了由增加覆盖引起的GR机制的示意图,这是根据对晶粒尺寸(而不是相和组织)的显微组织观察得到的。

  对比LSP2和SSP1试样,可以观察到,尽管与SSP1试样相比,LSP处理试样的受影响层厚度较低,显微硬度较低,但较低的表面粗糙度和较高的压缩残余应力在900 MPa的最大应力下导致较高的疲劳寿命。

  为了更好地了解诱导的残余压应力对疲劳寿命的影响,根据得到的平均疲劳寿命,研究了不同循环加载下的残余应力松弛,即第一个循环加载,每个系列依次为0.3、0.5和0.7Nf。图6a ~ f为上述循环间隔下疲劳试件的残余压应力分布。残余应力松弛与循环次数有直接关系。图6g为N = 0.7 Nf时疲劳加载后的残余应力分布。可以看出,UNSM试样的残余压应力在表面和深度上都高于其他系列。UNSM系列具有较高的残余应力稳定性,从而提高了试件的疲劳寿命。

  图6 (a-f) 1, 0.3 Nf后疲劳试样的残余压应力分布,(g)在N = 0.7Nf (h)时,不同循环间隔下测得的表面残余压应力差百分比(Nf为相应系列的疲劳寿命),疲劳加载试件的残余应力分布比较。

  图6h为不同状态下的表面残余应力松弛差值百分比。考虑到初始状态和第1循环的疲劳试件,出现了显著的松弛(约20-35%)。然而,考虑到0.5Nf - 0.7Nf循环周期内表面残余应力的差异,约有3-13%的残余应力松弛。与未进行疲劳测试的试样相比,在0.7 Nf下,大约46-68%的诱导残余压应力得到松弛,如图6h所示。

  由于表面粗糙度和表面状态是疲劳过程中非常重要的参数,因此对Baseline和LSP疲劳试样进行了表面光学仿形。很明显,对高达600粒的样品进行抛光可以获得光滑的光洁度(Ra ~ 0.023 μm),而LSP处理则会增加表面的粗糙度(Ra ~ 2.080 μm)。上图为两个样品的三维光学表面轮廓图像。上图 (a)所示的Baseline样本,是考虑到标尺上的最大值和最小值(nm)后相对光滑的表面。图(b)为LSP的三维光学表面轮廓图,在图中可以看到激光照射产生的LSP凹坑。此外,尺度条(μm)上的最大值和最小值解释了LSP时粗糙度较高的原因。

  二次裂纹显示出穿晶行为:(a)SE显微照片,(b)显示裂纹和周围晶粒结构的IQ图(高角度边界为黑色,特殊边界以红色突出显示),(c)IPF图和(d)KAM图。

  在855 MPa下测试的基准样品上分析了裂纹的性质;典型的二次裂纹如上图所示。使用EBSD扫描图(a)中SE图像中二次裂纹附近的区域,图像质量(IQ)图如图(b)所示,其中裂纹由箭头指示。在图(b)中,规则边界以黑色突出显示,特殊重合场地晶格(CSL)边界(∑=3,9,27)以红色显示。这些图像表明,裂纹路径在本质上主要是但不完全是跨颗粒的,因为它主要沿着材料中晶格的边缘,除了非常短的长度外,忽略了晶粒和晶界。

  在图(c)中的反极图(IPF)图像中,可以更清楚地看到该区域中的晶粒及其方向,箭头指出了裂纹位置。裂纹及其边界周围晶粒的取向表明裂纹主要穿过晶粒。最后,可以在图(d)中的KAM图中进一步分析裂纹及其性质。通过比较疲劳裂纹附近和周围微观结构中的局部错向变化,可以确定发生循环塑性变形和疲劳裂纹萌生晶粒的位置。

  图(d)显示,在晶粒内,仅沿裂纹路径存在非常小的错向,这表明应变局部化,而整个晶粒没有普遍的塑性变形。当疲劳裂纹扩展到相邻晶粒时,观察到疲劳裂纹长度的增加和取向错误的程度,表明随着裂纹的延长和遇到取向较差的晶粒,塑性变形水平增加。对室温下测试的其他镍基高温合金的裂纹性质和扩展行为进行了分析,并与这些结果一致。

  在本研究中,采用不同的工艺参数,对Inconel 718试样进行了基于严重塑性变形的各种表面处理,包括剧烈喷丸(SSP)、超声波纳米晶表面改性(UNSM)和激光冲击喷丸(LSP)。研究了这些处理及其工艺参数对处理材料微观结构和机械性能的影响。结论总结如下:

  •所有应用的处理都有效地诱导了处理试样表面的塑性变形。测定了最高动能处理的影响层平均深度,UNSM为160μm,SSP为110μm,LSP为45μm。UNSM和SSP在扩展剧烈塑性变形深度方面更有效。

  •采用适当参数的UNSM和SSP处理可产生较高的动能,显著有助于表面晶粒细化至纳米级。SSP和UNSM试样的平均晶粒度分别为23.1 nm和21.95 nm

  •对于动能最高的UNSM、SSP和LSP处理,表面显微硬度分别提高了44%、35%和15%。

  •就压缩残余应力(高于1000 MPa)而言,UNSM是表面区域最有效的处理方法。LSP和SSP工艺在表面上显示了可比较的数据。然而,考虑到压缩残余应力场的深度,SSP处理的影响在约250μm处消失,而UNSM试样的平均深度约为400μm。

  •关于受残余压应力影响的层深度,发现LSP是最有效的表面处理方法,受影响的厚度为500μm。然而,在疲劳循环后,发现UNSM引起的残余应力在深度上也更稳定。在UNSM2和SSP2的情况下,获得了关于松弛后残余应力分布的最稳定数据。

  •在UNSM、SSP和LSP处理后,当采用每种处理的最高动能进行处理时,疲劳寿命分别比收到的试样提高5.25、3.71和3.21倍。这种趋势可归因于压缩残余应力和表层晶粒细化。

  •表面粗糙度的增加会限制疲劳抗力的提高;可以考虑采用替代的二次后处理来降低粗糙度。通过数值模拟方法,可以以较低的成本优化工艺参数,从而为表面晶粒细化、残余压应力和表面质量的优化范围选择合适的工艺参数。


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