GH4151合金超声喷丸强化数值与试验表征分析

Numerical and experimental characterization analysis of ultrasonic shot peening strengthening for GH4151 alloy

摘要

为探究GH4151合金超声喷丸强化表层状态，分析其强化机理，通过超声喷丸表征试验和数值模拟分析，分别探究了0.15 A与0.25 A喷丸强度下，弹丸直径对GH4151合金的表面形貌、微观组织、显微硬度分布状态的影响。粗糙度模拟值与试验数据最终评估值的差异小于10%，证实了仿真预测的可靠性。在0.15 A喷丸强度下，与1.5 mm弹丸相比，采用2.5 mm弹丸，粗糙度Ra降低约10.9%，粗糙度Rz降低约10.4%。结果表明，采用较高的喷丸强度，可以提升对波峰波谷的削弱作用，增加弹丸直径可以提高表面宏观形貌一致性。超声喷丸处理后，塑性变形层明显，表层沿深度方向硬度值离散程度降低，表面显微硬度及层深显著增加，硬化层的一致性提高。

Abstract

To investigate the surface state of GH4151 alloy after ultrasonic shot peening strengthening and analyze its strengthening mechanism， characterization tests and numerical simulation analysis were conducted. The effects of shot diameter on surface morphology， microstructure， and microhardness distribution of GH4151 alloy under peening intensities of 0.15 A and 0.25 A were explored. The difference between the simulated roughness value and the final test evaluation data is less than 10%， confirming the reliability of the simulation prediction. At a peening intensity of 0.15 A， compared with 1.5 mm shots， the use of 2.5 mm shots results in a reduction of approximately 10.9% in roughness Ra and about 10.4% in roughness Rz. The results show that a higher shot peening intensity enhances the weakening effect on the peaks and valleys. Increasing the shot diameter improves the uniformity of the surface macro-morphology. After ultrasonic shot peening treatment， the plastic deformation layer is obvious， and the dispersion of hardness values along the depth direction is reduced. Both surface microhardness and the depth of the affected layer increase significantly， and the uniformity of the hardened layer is improved.

Graphical abstract

关键词

GH4151合金 / 超声喷丸 / 粗糙度 / 微观形貌 / 显微硬度

Key words

GH4151 alloy / ultrasonic shot peening / roughness / micro-morphology / microhardness

GH4151合金具有优异的耐热性、良好的抗疲劳性能^［1］，主要应用于航空发动机高压压气机盘、涡轮盘等热端关键部件^［2-4］。在发动机服役的高温、高压环境下，疲劳失效现象常发生在材料表面^［5］，因此强化材料性能具有重要工程应用价值^［6］。通过表征分析方式准确获得强化材料在制备、服役过程中的组织结构、细观缺陷分布等关键信息，极大地提高了航空发动机材料和结构的设计效率和性能指标。表面强化工艺在材料近表面产生局部弹塑性变形，细化金属表层晶粒，晶粒尺寸沿深度方向呈梯度显微组织变化，改善材料表面状态和性能^［7］。超声喷丸强化作为一种表面强化工艺，采用换能器将超声波频率（20 kHz）转换为同频率的机械振动，通过变幅杆放大，驱使弹丸随机运动，材料表面受弹丸高速撞击，产生塑性变形层和梯度微观结构，受工艺参数变量的影响，晶粒尺寸沿深度方向逐渐增加^［8］。相对传统喷丸，超声喷丸硬化层深，表面粗糙度值低^［9］。国内外针对钛合金超声喷丸强化试验表征方面开展了较多研究。林爽等^［10］对比研究了超声喷丸与传统喷丸工艺对钛合金强化均匀性的量化表征。超声喷丸试样因受离散冲击引发的切应力作用，其截面近表层区域晶粒尺寸呈现显著梯度分布特征，且表面与截面塑性区的变形均匀性程度较高。Takeda等^［11］通过维氏硬度及X射线衍射试验表征分析超声喷丸对钛合金显微硬度的影响，超声喷丸强化合金表层显微硬度增加。Shi等^［12］通过EBSD试验研究超声喷丸对GH4151合金晶粒行为的影响，未喷丸试样晶粒尺寸与变异系数均较大，晶粒尺寸一致性不如超声喷丸后晶粒尺寸分布状态。本文以GH4151合金为研究对象，基于超声喷丸振动系统，结合对表面形貌、微观组织及硬度分布的表征分析，研究不同喷丸强度与弹丸尺寸对材料表层状态的影响。

1 仿真研究方法

基于ABAQUS建立4组超声喷丸有限元模型，喷丸强度分别为0.15、0.25 A，采用直径为1.5、2.5 mm的氧化锆弹丸，目的是研究不同喷丸强度和弹丸直径对表面状态的影响规律，试样尺寸为50 mm×60 mm×5 mm，单元类型采用六面体结构化网格，下表面1 mm层深单元尺寸采用0.5 mm×0.5 mm×0.05 mm，向上逐渐增加至0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm，网格类型为C3D8R。振动头直径为50 mm，设置激励振动频率为20 kHz，超声激励振动采用正弦波控制，对模型分析步采用动态显式算法，对腔室、GH4151合金试样采用固定约束。超声喷丸腔室装配网格模型如图1所示。

采用Johnson-Cook本构模型模拟GH4151合金的力学响应，Johnson-Cook模型由式（1）表示。

\sigma =[A+B{\epsilon }_{\mathrm{p}}^n]\left[\mathrm{1}+C\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{{\dot{\epsilon }}_p}{{\dot{\epsilon }}_{\mathrm{0}}}\right]\left[\mathrm{1}-{\left(\frac{T-T_{\mathrm{0}}}{T_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{t}}-T_{\mathrm{0}}}\right)}^m\right]（1）

式中：\sigma为等效应力；{\epsilon }_{\mathrm{p}}为等效塑性应变；{\dot{\epsilon }}_{\mathrm{p}}和{\dot{\epsilon }}_{\mathrm{0}}分别为施加应变速率和参考应变速率；T、T_{\mathrm{0}}和T_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{t}}分别为实际温度、参考温度和熔点；A为材料初始屈服强度；B和n分别为加工硬化模量和指数；C和m分别为描述流动应力随应变速率和温度变化关系的常数。GH4151合金和ZrO₂弹丸材料性能参数如表1所示。

2 试验与材料

试验材料为GH4151合金，其化学成分如表2所示，在0.15 A与0.25 A喷丸强度下，采用两种直径（1.5、2.5 mm）的氧化锆弹丸对试样（50 mm×60 mm×5 mm）进行超声喷丸处理。研究不同喷丸强度与弹丸直径对GH4151合金粗糙度、硬化层的影响，表面粗糙度采用MarSurf 300C便携式粗糙度测量仪检测。电子背散射衍射（electron backscattering diffraction，EBSD）采用JEOL JSM-7800F场发射扫描电镜进行数据采集。具体试验参数如下：加速电压为20 kV，样品倾斜70°，采集速度为31.9 Hz。数据采用Channel5软件进行后处理分析。显微硬度采用ZHV2.0全自动维氏硬度计检测。

3 仿真及试验结果分析

3.1 表面形貌超声喷丸仿真分析

采用不同喷丸强度与弹丸直径，对试样表面进行超声喷丸数值仿真，放大试样表面竖直方向变形，分析超声喷丸表面宏观形貌。图2为超声喷丸仿真试样整体形貌，反映出超声喷丸表面宏观粗糙度形貌较为均匀，并未有较多的孤立峰值与谷值出现。在4种参数下，0.25 A/ 1.5 mm弹丸表面波峰和波谷的波动剧烈，0.25 A/2.5 mm弹丸表面波动平缓，这是由于弹丸高速撞击试样表面，随着弹丸直径的增大，表面发生塑性变形区域增大，波峰波谷差值降低。

为比较数值模型结果与试验数据的差异性大小，对超声喷丸试样沿横向与纵向在位移场中的粗糙度截面进行分割，沿全局坐标系X轴均分截取5个粗糙度截面，沿Y轴同样截取5个粗糙度截面。试样的表面粗糙度Ra（轮廓算术平均）的表达式为

Ra=\frac{\mathrm{1}}{l}{\displaystyle \underset{\mathrm{0}}{\overset{l}{\int }}}\left|f(x)\right|\mathrm{d}x（2）

式中：f(x)为采样长度l内的峰值高度。

另一个在研究中被广泛认可的表面参数是Rz（轮廓最大高度），即剖面的最大高度，定义为采样长度内最大剖面峰高（Rp）和最大剖面谷深（Rv）之和^［13-14］。根据其定义，Rz是形貌的极值特征值。Rz的表达式为

Rz=Rp+Rv（3）

根据式（2）、（3），得出4种参数（0.15A/1.5 mm、0.15 A/2.5 mm、0.25 A/1.5 mm、0.25 A/2.5 mm）切片（1~5横向及纵向）粗糙度Ra/Rz均值分别为0.64 μm/3.96 μm、0.54 μm/3.41 μm、 0.73 μm/3.69 μm、0.58 μm/2.90 μm，表面粗糙度统计情况如图3所示。由于仿真结果不受试样前处理造成的外观几何影响，横纵向粗糙度几乎不存在方向性，同时试样表面除边缘区域外，其他区域横纵向粗糙度差异较小。4种参数表面粗糙度结果分析表明，粗糙度值与凹坑直径尺寸、深度尺寸和凹坑之间挤压导致的凸起程度有关。相对于0.15 A，0.25 A下弹丸动能大，对表面塑性变形影响严重。在0.25 A喷丸强度下，相对于1.5 mm，2.5 mm弹丸粗糙度Ra/Rz分别降低25.9%、41.8%，凹坑直径大、深度低，波峰波谷趋势平缓。

3.2 表面粗糙度试验分析

图4a、4b分别为不同喷丸强度与弹丸直径下的粗糙度Ra与Rz分布情况。粗糙度结果显示，在Ra与Rz两种粗糙度分布下，未喷丸试样由于抛光处理，具有最小的表面粗糙度。在超声喷丸试样中，采用0.25 A/2.5 mm弹丸具有最小的表面粗糙度。0.25A/1.5 mm弹丸与0.15 A/1.5 mm弹丸具有最大的粗糙度，表明相比于1.5 mm弹丸，2.5 mm弹丸具有降低粗糙度的作用，这种差异在Rz中更加显著。这是由于Rz表示粗糙度波峰与波谷的差值，采用大直径弹丸对波峰与波谷的削弱更加显著，具体粗糙度试验均值结果如表3所示。图4c、4d分别为不同喷丸强度与弹丸直径下的粗糙度Ra与Rz均值分布情况。粗糙度均值结果显示，弹丸强度为0.25 A时，相比于1.5 mm，2.5 mm的粗糙度Ra降低约12.5%，粗糙度Rz降低约27.5%；弹丸强度为0.15 A时，相比于1.5 mm，2.5 mm的粗糙度Ra降低约10.9%，粗糙度Rz降低约10.4%。弹丸直径为2.5 mm时，相比于0.15 A，0.25 A的粗糙度Ra降低约1.8%，粗糙度Rz降低约19.2%。数据结果表明，超声喷丸模拟与试验试样表面形貌基本相似，凹坑密度分布均匀，横纵向粗糙度模拟值与试验数据最终评估值的差异小于10%，符合所建议的相对标准公差范围。因此，该数值模型可以实现对超声喷丸粗糙度场的评估。每组数据较未喷丸的机械抛光状态粗糙度均有提高趋势，采用较高的喷丸强度，可进一步提升较大弹丸直径对波峰与波谷的削弱作用，同时促进小直径弹丸对粗糙度的提升作用。相比于粗糙度Ra，试样表面粗糙度Rz受波峰与波谷差值影响程度更高，3个测试点数据离散程度更高。在1.5 mm弹丸下，提高喷丸强度，进一步扩大了粗糙度Ra与粗糙度Rz的离散程度；在2.5 mm弹丸下，提高喷丸强度，降低了粗糙度Ra与粗糙度Rz的离散程度，表明超声喷丸过程中，提高弹丸直径有助于提高表面宏观形貌的一致性^［15］。

3.3 微观结构分析

采用电子背散射衍射技术来研究GH4151合金近表层组织的微观结构。图5为从EBSD数据中得到的未喷丸与超声喷丸GH4151合金试样的核平均取向错位（kernel average misorientation， KAM）图和对应的KAM统计结果分布图。KAM图能够定性反映超声喷丸强化所诱发的塑性变形的分布均匀性，其中，数值较高的区域表示较大的塑性变形程度或较高的缺陷密度^［16］。未喷丸KAM图显示，经过机加工和抛光处理后GH4151合金表面基本没有塑性应变，未喷丸KAM平均值为0.23°。

经过超声喷丸强化，可以观察到GH4151合金的表层有显著的塑性应变，并且塑性应变随着材料深度的增加逐渐减小。0.25 A/1.5 mm、0.25 A/2.5 mm、0.15 A/1.5 mm和0.15 A/2.5 mm超声喷丸强化引起的塑性应变分别在表面下方100、150、80、120 μm分布明显，且塑性变形在横向分布具有一致性。相比于0.15 A，0.25 A处理后塑性应变层深度提高39%，2.5 mm弹丸处理后塑性应变层深度较1.5 mm弹丸处理提高50%，表明采用0.25 A和2.5 mm弹丸进行超声喷丸强化试样表层区域具有更高的塑性变形程度。KAM平均值分别为0.37°、0.42°、0.33°和0.38°，比未喷丸KAM平均值分别提高61%、83%、43%和65%，表明超声喷丸处理可以在GH4151合金表层诱发大的塑性应变。将EBSD数据测得的KAM平均值代入式（4）中，计算得到几何必需位错密度{\rho }_{\mathrm{G}\mathrm{N}\mathrm{D}}。

{\rho }_{\mathrm{G}\mathrm{N}\mathrm{D}}=\frac{\mathrm{2}\mathrm{K}\mathrm{A}{\mathrm{M}}_{\mathrm{a}\mathrm{v}\mathrm{e}}}{\mu B}（4）

式中：KAM_ave为所选区域的KAM平均值；μ为EBSD测试步长；B为伯格斯矢量大小（对于镍基高温合金，B=0.25 nm）。

在KAM图中，高KAM值区域主要集中在横截面的近表面区域，表明经超声喷丸强化后的GH4151合金在近表面层具有较高的位错密度。KAM值随着深度的增加而逐渐降低，位错密度也随之降低。5种不同处理试样计算得到的几何必需位错密度分别为1.84×10¹⁵、2.96×10¹⁵、3.36×10¹⁵、2.64×10¹⁵、3.04×10¹⁵ m^-2，平均晶粒尺寸分别为14.2、11.1、9.8、11.9、10.8 μm。对比原始试样，超声喷丸表面强化会使试样晶粒尺寸得到不同程度的细化，并引入较高的位错。超声喷丸强化引起较大的塑性变形，导致超声喷丸试样拥有比未喷丸试样相对较高的位错密度^［17］。其中，超声喷丸强化后，0.25 A/2.5 mm弹丸处理试样的几何必需位错密度最高，晶粒尺寸最小，而0.15 A/1.5 mm弹丸处理试样的几何必需位错密度最低，晶粒尺寸最大。在强化过程中，由于0.15 A弹丸密度低、动能小，小直径弹丸碰撞试样的能量小，位错堆积就相对较少；而0.25 A弹丸密度高、动能大，大直径弹丸碰撞试样的能量大，进而导致几何必需位错密度相对较大^［18］。

3.4 喷丸硬化层分析

表4与图6分别为不同表面处理状态GH4151合金试样显微硬度统计及分布状态。未喷丸原始试样硬度均值为446 HV，未喷丸试样具有最低的表面硬度，沿深度方向硬度分布具有一定的波动性。相比于0.15 A，0.25 A表面硬度提高3.3%~6.6%。相比于1.5 mm，2.5 mm表面硬度提高2.0%~5.3%。硬度平缓区的均值与转折点硬度值相差均小于3%，表明4种参数硬度转折点位置准确。

4种工艺参数（0.15 A/1.5 mm、0.15 A/2.5 mm、0.25 A/1.5 mm、0.25 A/2.5 mm）硬度平缓区均高于未喷丸试样硬度均值。从微观结构角度看，依据EBSD 表征结果，超声喷丸处理会使合金表面产生显著的塑性应变，引入大量几何必需位错，导致位错密度增加。0.25 A/ 2.5 mm 弹丸处理试样的几何必需位错密度最高，晶粒尺寸最小。大量位错的存在阻碍了位错的进一步滑移，使合金变形抗力增大，从而提升了合金表面硬度。在高喷丸强度和大弹丸尺寸的条件下，塑性应变层更深，位错密度更高。从晶粒细化角度看，根据Hall-Petch关系，晶粒细化会增加晶界面积，而晶界对塑性变形具有阻碍作用，进而提高材料的强度和硬度^［19］。

在硬度转折点至450 μm范围内，未喷丸试样硬度值离散程度较高，相比未喷丸试样，超声喷丸试样平均硬度分别提高0.6%、1.9%、4.1%、5.4%，即超声喷丸实现了对GH4151合金表面及次表面硬度的整体提升。相比次表面硬度稳定区，表面硬度提升较显著，超声喷丸后分别提高23.1%、25.6%、27.1%、33.9%，表明超声喷丸可以提高试样沿深度范围硬度分布的一致性，提升喷丸强度、弹丸直径可以提高合金表面硬度分布与硬化层深度，其中提高喷丸强度有助于提升硬化层深度，增加弹丸尺寸显著提升合金表面硬度。

4 结论

1）采用较高的喷丸强度，可进一步提升较大弹丸直径对波峰波谷的削弱作用，同时促进小直径弹丸对粗糙度的提升作用。弹丸直径小时，提高喷丸强度，进一步扩大了粗糙度Ra与Rz的离散程度，提高弹丸直径有助于提高表面宏观形貌一致性。基于有限元仿真可以实现对GH4151超声喷丸强化表面进行有效的宏观形貌及数值评估、预测分析。

2）超声喷丸强化使试样晶粒尺寸得到不同程度的细化。增大喷丸强度，试样表面塑性变形影响程度增大，塑性变形层一致性提高。

3）超声喷丸改善试样沿深度范围硬度分布，提高硬化层深度，提高喷丸强度有助于提升硬化层分布的一致性，增加喷丸强度与弹丸尺寸可显著提升表面硬度。

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基金资助

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