一种粉末高温合金涡轮盘热处理残余应力分析

摘 要：通过X射线衍射方法测试了复杂形状粉末高温合金涡轮盘在固溶淬火状态与时效状态的表面残余应力，较系统地研究了复杂盘件固溶淬火后残余应力的形成、表面分布及时效后的变化规律。

关键词：残余应力；热处理；涡轮盘

粉末冶金高温合金涡轮盘是通过热等静压(HIP)和热处理(HT)等一系列热加工工艺成型而成的。在盘件热处理时，盘件内部存在温度梯度，会产生较大的残余热应力。这些残余应力对盘件保持完整性和机加工性能的影响很大，当尼部残余应力足够大时，盘件就可能开裂。而小的残余应力，也会影响盘件的加工性能，如加工变形等。因此，测试分析热处理过程中盘件各部位的残余应力，并在此基础上控制盘件内部的残余应力水平就能有效保证盘件上述各方面性能要求。本文通过X射线衍射的方法来测定盘件热加工过程中各部位的残余应力，根据测试分析的结果来调整盘件的热加工工艺。

1 试验材料及方法

试验材料为FGH95合金涡轮盘，材料的化学成分见表1。

表1 FGH95合金化学成分

采用X射线衍射仪测试涡轮盘表面的残余应力。设备具体型号与参数如下：Proto-LXRD型X射线应力仪，管压25kV，管流20mA，Mn-Kct辐射，辐射面积1*3mm²，Ni(311)衍射面，探测器2θ范围29°，同倾衍射吵优化设置7站，每站少摆动角3°，测试执行ASTM E915-2010、EN15305-2008及GB 7704-87标准。借助Proto-8818型电解抛光机，对盘件表面进行电化学腐蚀，工作参数15V及2A。

具体试验过程如下：(1)亚固溶+盐浴处理状态的盘件经车床加工表面见光；(2)采用电解腐蚀方法，将盘件残余应力测试区域腐蚀出直径大约6mm，深度0.3mm左右的点；(3)同一个测试点分别测试周相（切向）和径向两个方向的残余应力；(4)测试完的盘件经过时效处理后，重复上述试验过程。

盘件各部位的应力测试点如图1所示，蕴件共测试36个点。沿盘件轴向共测试9组，分别为A、B、C、D、E、F、G、H和I，每组沿盘件圆周方向均匀测试4点，分别为A1、A2, A3、A4…I1、I2、I3和I4。

2 试验结果及分析

本文对涡轮盘进行了残余应力测定，为了准确了解盘件热处理，分别测定了固溶淬火后和时效热处理后两种状态的残余应力。图2(a)-(i)分别是涡轮盘上述两种状态的残余应力测试结果。

从图2中看出，时效状态的残余应力大小变化范围(-200~-400MPa)比固溶状态的范围(-700~700MPa)也明显变小。主要原因是高温下合金盘件在固溶盐浴过程中，产生的热应力和组织应力共同作用的结果。

一个原因是热应力。盘件的固溶盐浴过程是快速冷却淬火过程，盘件内部和表面冷却速度不一致，其冷却收缩不同产生热应力。在盘件冷却初期，表面冷速快，表面发生收缩，产生拉应力，内部冷速慢，相对表面而言可以近似认为不发生收缩，产生压应力；在盘件冷却后期，表面冷速慢，表面不发生收缩，产生压应力，内部冷速快，出现收缩，产生拉应力。盘件最终形成的热应力为表面压应力，内部拉应力。

在淬火过程中，盘件沿轴向进人淬火介质，A组与F组的点所在面与盘件进入淬火介质方向垂直，这不利于盘件表面与淬火介质的相对运动，致使A组与F组各点的冷却速率比其他各组的冷却速率要稍小，因此，A2-A4与F1-F4测试点残余应力为残余正应力。

另一个原因是盘件在淬火冷却过程中也产生组织应力。冷却初期，表面析出少量的γ’相，表面体积发生膨胀，产生压应力，内部冷速慢，温度较高，析出的含量较表面少，会牵制表面膨胀，产生拉应力；冷却后期，表面温度较低，不再发生相变，内部温度较高，在冷却过程中继续析出γ’相，发生体积膨胀，产生压应力，表面牵制内部膨胀，产生拉应力。最终的组织应力状态为表面拉应力，内部压应力。

时效处理过程中，γ’相的补充析出含量很少，产生的组织应力很小，而且二级时效的保温时问为24h，相当于给盘件做了去应力退火，因此盘件的表面残余应力趋于一致，截面上不同点的差值变小。

3 结论

(1)固溶状态盘件的表面残余应力变化比较大(-700~700MPa)，且少数点的残余应力为残余正应力。

(2)时效状态盘件的表面残余应力变化比较小(-200~-400MPa)，都是压应力，且截面上不同点的差值变小。