GH4133鎳基高溫合金是以鎳-鉻固溶為基， γ′[Ni 3 (Al,Ti,Nb)]為主要強化相的時效硬化型合金， 該合金具有良好的綜合性能， 晶粒均勻細小， 屈服強度高，易于熱加工成形， 適合于制造溫度在 750 ℃以下航空發(fā)動機的渦輪盤和葉片等重要部件。 采用 GH4133 鎳基高溫合金制備的部件在實際使用過程中， 由于振動疲勞引起的部件疲勞斷裂， 嚴(yán)重影響其使用的安全和可靠性。 由于疲勞裂紋通常發(fā)生在表面， 為了改善部件的表面性能， 提高抗疲勞性能， 常采用表面強化技術(shù)對材料進行改性， 研究表明， 激光沖擊強化（laser shockpeening， LSP） 是一種新型的表面強化技術(shù)， 可以細化材料表層組織， 在表層殘留較大的殘余壓應(yīng)力， 明顯提高其疲勞壽命。 其原理為： 短脈沖(幾十納秒)的高峰值功率密度(＞109 W/cm 2 )的激光輻照金屬表面， 使金屬表面涂覆的吸收保護層吸收激光能量并發(fā)生爆炸性氣化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓(＞1GPa )的等離子體沖擊波， 沖擊波的力效應(yīng)使表層材料微觀組織發(fā)生變化， 在較深的厚度上殘留壓應(yīng)力， 從而顯著提高金屬材料抗疲勞、耐磨損和防應(yīng)力腐蝕等性能。

采用激光沖擊強化技術(shù)提高 GH4133 鎳基高溫合金的疲勞性能， 但由于該合金的實際工作溫度較高， 而在高溫的作用下， GH4133 鎳基高溫合金的激光沖擊強化效果的穩(wěn)定性尚不清楚， 目 前， 國內(nèi)未見相關(guān)報道。因此本實驗研究激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金及溫度作用下微觀組織和殘余壓應(yīng)力分布， 探討激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度影響下的熱穩(wěn)定性， 為實現(xiàn)激光沖擊強化技術(shù)在 GH4133 鎳基高溫合金部件上的工程應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

實驗實驗材料為 GH4133 鎳基高溫合金, 成分如表 1。為了對比研究溫度對激光強化 GH4133 鎳基高溫合金的穩(wěn)定性影響， 設(shè)計了 3 種不同表面狀態(tài)， 分別是： 第 1 組： 未處理試樣； 第 2 組： 將試樣進行激光沖擊強化處理； 第 3 組： 將試樣進行激光沖擊強化處理后在 500 ℃下保溫 1 h。

式中， P 為沖擊波峰值壓力(GPa)， α 是效率系數(shù)， A 為吸收率， 約束層為水、 吸收層為膠帶的情況下 α=0.24，A=0.87； Z為水和膠帶折合阻抗， 即 2/Z=1/Z 膠帶 +1/Z 約束層 ，可得 Z=0.908× 10 6 g·cm -2 ·s -1 ； I 為激光的輸出功率密度(GW/cm 2 )。I=E/τS (2)式中，E為激光器輸出能量（J），τ為激光脈沖（ns），S為光斑面積（cm2）。

GH4133 鎳基高溫合金材料室溫性能： σ Y =878MPa， σ b =1221 MPa。 計算采用的激光功率密度范圍為4.29 GW·cm -2 ， 本 GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊強化采用 Nd:YAG 固體激光器， 其工藝參數(shù)為： 激光波長1064 nm， 激光能量 10.8 J， 脈寬 20 ns， 光斑直徑 4 mm，搭接率 66%。 約束層為水， 吸收保護層采用鋁箔。

保溫試驗采用真空保溫爐， 將試件放入箱式爐中，在500 ℃的溫度下保溫1h。

金相組織測試采用 NEOPHOT-21 型金相顯微鏡；利用 Quanta200 掃描電鏡觀察強化前、 強化后保溫試樣橫截面的形貌； 顯微硬度測試設(shè)備為 MVS-1000JMT2顯微硬度計， 載荷為 200 g、 加載時間為 15 s。 殘余應(yīng)力測試采用 X-350A型 X射線應(yīng)力儀對試樣的表面和截面應(yīng)力分布進行測試。 疲勞試驗采用高溫疲勞試驗裝置， 試驗溫度為 500 ℃。

高溫疲勞性能對未強化、強化 2 種狀態(tài)試樣在相同條件下進行疲勞試驗， 按威布爾概率分布模型進行擬合， 對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理， 其結(jié)果如表 2 所示。

從表 2 中可知。 GH4133 鎳基高溫合金試樣不同狀態(tài)的疲勞壽命分別為： 原始試樣為 1.12× 10 5；激光沖擊強化后在500℃溫度下的疲勞壽命為 2.62× 10 5 ， 是未處理試樣的 2.34倍。

實驗結(jié)果表明， 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在溫度作用下仍能顯著提高其安全壽命， 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金在 500 ℃仍具有很好的熱穩(wěn)定性。

微觀組織熱穩(wěn)定性分析不同狀態(tài)激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金的截面微觀組織如圖 1 所示， 從圖中可以看出， GH4133 合金基體組織由等軸晶組成（圖 1a）， 晶粒較大， 在 100~400μm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金其微觀組織是在 γ奧氏體基體上分布著許多細小而均勻的 γ’沉淀強化相，以及變形和強化過程產(chǎn)生的大量細化的晶粒和孿晶組織（圖 1b）。 相比于激光沖擊強化試樣， 在 500 ℃下保溫 1 h 后的 GH4133 鎳基高溫合金的微觀組織如圖 1c、1d、 1e 所示， 由于溫度的作用， 激光沖擊強化引起的塑性變形形成了大量孿晶組織和細小晶粒未發(fā)生長大，晶界更加清晰， 組織更加均勻的分布， 并在 10000 倍下（圖 1e）， 在晶界上析出大量細小， 均勻分布的析出相，因為 GH4133 變形高溫合金的 γ’在 500 ℃開始析出，M 23 C 6 需要在 600 ℃析出 ， 因此可以知道析出相為 γ’。

殘余應(yīng)力熱松弛分析GH4133 鎳基高溫合金激光沖擊保溫前后的殘余應(yīng)力如圖 2 所示。

從圖中可以看出， GH4133 鎳基高溫合金基體的殘余壓應(yīng)力在–59 MPa， 而經(jīng)過激光沖擊強化后的殘余最大值為–381 MPa， 影響深度大于 0.8 mm， 而經(jīng)過 500 ℃保溫 1 h 處理后， 表層的殘余壓應(yīng)力為 302 MPa， 下降了 20%， 但保溫后 GH4133 鎳基高溫合金的殘余壓應(yīng)力仍高于基體的值， 影響深度大于 0.8 mm， 且隨著距表面深度的增加， 殘余壓應(yīng)力梯度減緩， 深度影響較小。

顯微硬度分析GH4133 鎳基高溫合金不同狀態(tài)的截面顯微硬度如圖 3 所示。 從圖中可以看出， 未處理試樣的顯微硬度在 4500 MPa 左右， 而經(jīng)過激光沖擊強化后顯微硬度達到 5700 MPa， 明顯高于基體的顯微硬度值， 影響深度達到 2 mm。 激光沖擊 GH4133 鎳基高溫合金經(jīng)過保溫處理后， 表面硬度值高于激光沖擊后試樣的硬度值， 達到 5900 MPa， 影響深度仍能達到2mm。

組織細化的影響由圖 1 可知， 激光沖擊強化過程產(chǎn)生的等離子體沖擊波使 GH4133 鎳基高溫合金的表面組織細化， 形成大量的孿晶， 對提升材料的抗疲勞具有重要作用。

另一方面材料的疲勞性能與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要包括晶粒尺寸、 亞晶粒尺寸、 晶體晶格畸變（微觀應(yīng)力） 等。 激光沖擊強化 GH4133 鎳基高溫合金使得晶粒尺寸減小， 數(shù)量增多， 晶界增多可以提高滑移變形抗力， 增加裂紋擴展的晶界阻力， 同時抑制裂紋的萌生，有效阻止疲勞裂紋的擴展。