摘要

为满足不断攀升的两机涡轮动力系统的快速发展，表面冲击强化技术在涡轮转子用高温合金表面强化的应用及相应机制的研究受到了广泛关注。然而，高温合金表面硬化层在高温服役环境下的回复、再结晶行为难以避免，由此引起的表面强韧化、抗疲劳效果的退化，成为制约表面冲击强化技术在先进高温合金关键部件深入应用的瓶颈。本文总结了近年来镍基高温合金表面冲击强化机制及应用研究进展，分析了表面冲击强化对镍基高温合金表面强韧性及抗疲劳的作用规律，探究了高温合金表面冲击硬化层在高温及长期时效过程中的显微组织、微结构演化及其对高温稳定性的作用机理。以期为发展镍基高温合金表面冲击强化、提高两机涡轮转子疲劳抗力提供基础。

关键词： 镍基高温合金; 表面强化处理; 抗疲劳制造; 硬化层; 组织和性能高温稳定性

高温合金具有优异的高温强韧性、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能、显著的抗蠕变与抗疲劳性能以及优良的组织结构高温稳定性，被广泛应用于航空航天、石油化工等领域关键热端部件的制造[1~4]。其中涡轮动力系统关键热端部件(涡轮盘、涡轮叶片等)被誉为涡轮发动机的心脏，需长时间在高温、热腐蚀环境服役。因此，提高涡轮转子关键热端部件用高温合金的高温性能，始终是涡轮动力系统能效跃升、服役安全的核心保障[5,6]。随着高端航空发动机、重型燃气轮机研制技术的飞速发展，高品质涡轮转子用高温合金，更需在长期高温、疲劳环境下面临“高温强韧化”和“性能稳定性”的双重考验[7]。而强韧化设计与微结构热力学往往相互制约[8~10]，成为先进涡轮系统研发的瓶颈之一[11]。

近年来，高能喷丸(shot peening，SP)、表面高速机械挤压(high-speed surface extrusion，HSE)、超声表面滚压(ultrasonic surface rolling process，USRP)和激光冲击(laser shocking processing，LSP)等表面冲击强化技术在两机涡轮转子抗疲劳制造领域的应用研究广泛深入地展开，显现出积极的效果和广阔的前景[12~14]。表面冲击强化通过在金属表层引入可观的塑性变形和残余压应力，诱导高密度位错、孪晶等表面微结构的改变[15~17]，从而获得具有显著综合强化效果的梯度硬化层，有望成为高强金属材料有效的表面抗疲劳制造技术[16~21]。

然而，表面冲击强化在金属表面获得的高残余压应力硬化层[15]，仍以垂直表面向内的冲击形变强化为主[12,15,17]。硬化层在剧烈塑性变形(severe plastic deformation，SPD)时产生的高密度位错、晶格畸变和亚稳界面，使表层获得可观残余压应力、显著强化效果的同时，也在表面引入了缺陷密度梯度分布的微结构亚稳层[18]。而对高温合金而言，600℃甚至以上的高温条件下，硬化层中的亚稳微结构易发生回复和退化，导致残余压应力的松弛甚至消失。这直接影响高温合金表面冲击硬化层高温强化作用的稳定性，也一直是制约表面强化技术在高温合金涡轮转子表面强韧化、抗疲劳制造中深入应用的瓶颈性问题[12,13]，长期受到设计、制造和研究者的广泛密切关注。

迄今为止，关于高温合金表面冲击强化的诸多实际应用和研究报道中，表面硬化层高密度亚结构的回复推迟、残余压应力可保留的机理尚不明确。本文归纳了镍基高温合金表面冲击强化技术及应用的研究进展，在分析不同表面冲击强化技术提升镍基高温合金表面强韧性及抗疲劳作用规律的基础上，结合近年来本课题组的研究结果，探究了高温合金表面硬化层在高温下的显微组织、微结构演化机理。分析高温下维持表面强化作用的关键机制，展望镍基高温合金新型表面冲击强化技术和抗疲劳调控机制的未来发展方向，以期为具有更高承温能力的镍基高温合金关键涡轮转子强韧化与抗疲劳制造提供思路和参考。

1 高温合金的表面喷丸处理及喷丸强化

涡轮动力系统的高温合金关键热端部件，装机前需经多道次复杂机械加工，构件表面完整性易被破坏，表面粗糙度增大。加之机械加工难以避免在表层引起残余拉应力等，从而劣化了高温合金的高温疲劳性能[22]。尤其对于涡轮转子，其在长期服役过程中的高温抗疲劳性能，更是动力系统服役安全的关键[23,24]。因此，诸多金属材料的表面强化技术在高温合金转子构件的抗疲劳制造领域倍受关注[23~25]。表面喷丸处理，作为便于实施、低成本和冲击能量输入可准确调控的表面处理技术，较早被用于高温合金的表面强化[26,27]。喷丸处理采用硬质钢丸、铸铁丸、陶瓷丸等轰击工件表面，在表层引入残余压应力，可有效抵消机械加工的表面残余拉应力，提高材料的抗疲劳能力[28~31]。喷丸处理对高温合金构件的影响主要有：硬化层残余应力分布状态、表面形态和疲劳裂纹萌生阻力等[13,28]。

1.1 高温合金喷丸处理后的表面应力状态及分布

高温合金表面喷丸强化的研究[29~31]表明，喷丸处理可明显改变机械加工的残留表面拉应力，在合金表面引入了较为理想的残余压应力层，这对高温疲劳抗力要求很高的高温合金涡轮转子，无疑具有高的实用价值。钟丽琼等[28]的研究发现，对FGH97合金进行陶瓷弹丸90°喷射4 min处理后，次表层(距表面几十微米)处获得了较高的残余压应力，应力场深度可达280 μm左右。Wang等[30]对FGH96合金进行了车削、陶瓷喷丸和复合喷丸(高强铸铁弹丸和低强陶瓷弹丸)残余压应力场的对比研究，发现喷丸处理明显增加了表层残余压应力，并且应力最高值、深度均随喷丸强度的增加而增大(图1[30])。在铸造高温合金、变形高温合金的相关研究中也获得了相似的效果。K4169铸造高温合金喷丸处理后表面残余压应力由258 MPa增加至1079 MPa，进而显著提高了合金的疲劳寿命[32]。

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