前言
表面完整性是航空发动机零部件制造过程中必须考虑的重要因素之一，而作为表面完整性主要研究内容的残余应力直接影响到关键零件（如涡轮盘、压气机盘）的尺寸稳定性、疲劳性能和使用寿命等。
上海叶钢金属集团有限公司仓库一角GH是我国年仿制的米国Inconel合金，经过近60年的发展，该合金在国内外航空发动机中应用广泛，成为一种十分重要的高温合金材料。其中，PW公司PW发动机用的高温合金中57%Wt是Inconel；表面完整性是航空发动机零部件制造过程中动机总质量的34%是Inconel合金。
Inconel合金制备的最重要的零件就是航空发动机圆钢（包括涡盘和压气机盘），对保障发动机可靠性和使用寿命起关键作用。因此。开展航空发动机用GH圆钢的残余应力研究不仅具有重要的理论意义，而且具有显著的工程应用价值。根据应力范围，残余应力可分三类；
上海叶钢金属集团有限公司仓库一角（1）宏观残余应力。
（2）微观残余应力。在金属晶粒范围内（线性尺度10-2~0.1mm之间）的一类平衡应力。
（3）超微观残余应力。指存在于金属晶界、滑移面、位错附近以及更微小区域内的残余应力；高温合金圆钢残余应力包括以上三类残余应力。国内外对高温合金圆钢残余应力的产生机理、测量方法及消除残余应力的工艺开展了较多研究。变形高温合金圆钢残余应力是材料内部保持平衡的应力与加工产生应力的合力。残余应力测定方法包括∶XRD衍射法、中子衍射法，计算模拟法，钻孔法等。
上海叶钢金属集团有限公司仓库一角每种方法都各有优缺点，既不破坏圆钢整体性，又得到较准确可靠的GH涡轮盘残余应力值，合适的测量方法应是计算模拟与无损检测技术（X射线衍射法、中子衍射法）的结合。英国M.A.RIST等采用中子衍射方法测定了Inconel涡轮盘内部残余应力。中子衍射射线穿透深度达60mm，圆钢直径为mm。
研究表明，Inconel涡轮盘残余应力大部分是近表面的压应力，这些压应力被圆钢内部拉应力平衡。最大的单应力值是盘心孔部位靠近表面的环形应力，达到~MPa。虽然中子衍射法可以测定圆钢内部残余应力且测定值较精确，但是费时费力且成本较高，对工程化应用存在一定难度。
采用X射线衍射法测定了一种粉末圆钢等温锻造+退火＋机加工、油淬和时效热处理三种状态的圆钢表面残余应力，结果表明，淬火后的圆钢残余应力最大，处于-MPa水平；而等温锻造＋退火+机加工后的圆钢残余应力较小，低于-MPa，淬火后时效热处理可有效地消除圆钢内部的热应力，说明热处理可显著降低高温合金圆钢残余应力。
目前采用热处理方法降低GH圆钢残余应力的报道文献较少。本文研究目是分析机加工后GH材料残余应力的分布规律，并结合X射线应力测试，对比测试热处理工艺对GH模拟圆钢残余应力的影响，为降低GH圆钢应力提供参考。
1、试验方法
残余应力测试用料为国内优质GH圆钢和米国圆钢，分别从直接时效工艺锻造出的圆钢毛坯上采用线切割并加工出GH和Inconel模拟盘。主要尺寸为外径φ90mm，内孔φ20mm。其中，优质GH料为真空感应熔炼（VIM）+真空自耗重熔（VAR）双联工艺制备；美国ALLVAC料为真空感应熔炼（VIM）+气氛保护电渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR）三联工艺制备。采用国内X-型X射线残余应力测定仪测定表面残余应力。
XRD测残余应力的前提条件是∶
（1）一定应力状态引起的材料晶格应变和宏观应变一致；
（2）晶格应变可通过X射线衍射技术测定；
（3）X射线衍射测的晶格应变可推知宏观应力。针对合金零件表面残余应力值，国内外较多采用X射线仪测定。
图1是GH与Inconel模拟盘表面残余应力的测定点及其位置图，其中，测定点1、2、3位于辐板位置处，应力测点4、5和6位于模拟盘的高度2mm的轮缘处。
2、讨论
2.1热处理工艺对国内GH模拟盘残余应力的影响
表面机加工后的锻态GH模拟盘与时效热处理（℃×8h，50℃/h，FC，℃×8h，AC）后的模拟盘表面残余应力值对比（注∶图中拉应力显示为正值，压应力为负值）得出，锻态机加工后的GH模拟盘辐板处3点均为压应力，最大压应力值达到.3MPa；而轮缘处的3个测试点均显示为拉应力，最大值为.7MPa。
经时效热处理后，GH模拟盘表面残余应力值显著降低，其中，轮缘处残余应力值由拉应力转变为压应力状态。航空发动机圆钢表面的压应力有助于提高圆钢的可靠性和使用寿命，通常采用特殊工艺方法（如喷丸等），使圆钢表面处于压应力状态。
为了进一步研究退火工艺对GH模拟盘残余应力的影响，使用℃×2h，AC的退火工艺热处理GH模拟盘。
机加工后锻造态GH模拟盘，与时效热处理（℃×8h，50℃/h，FC，℃×8h，AC）和时效热处理＋退火（℃×2h，AC）后的模拟盘表面残余应力值对比得出，℃×2h的退火工艺进一步降低了GH模拟盘表面的残余应力，且测定点的所有残余应力值均为压应力，最小值为-.5MPa。
图2显示的是时效＋退火＋梯度退火（℃×2h,50℃/h,FC,℃×1h,℃/h,FC,℃×1h，AC）热处理后的GH模拟盘残余应力，与机加工后锻造态，和时效热处理（℃×8h，50℃/h，FC，℃×8h，AC）、时效热处理＋退火（℃×2h，AC）的GH模拟盘表面残余应力对比。
从图2中可以看出，梯度退火（℃×2h，50℃/h,FC,℃×1h,℃/h,FC,℃×1h，AC）热处理后，GCH模拟盘表面的残余应力进一步降低，最小值达到-72.5MPa，并且各测点的应力大小更趋于均匀一致。对金属零件来讲，通常只有当固溶热处理温度高于金属静态再结晶温度时，通过静态再结晶过程能释放并降低锻件内的热加工应力。
因此国内研究认为∶高强锻造工艺制备的GH圆钢，因其固溶热处理温度在~℃之间，低于GH静态再结晶温度（℃），无法消除锻件中的残余应力。对于直接时效工艺制备的GH圆钢，也认为由于无固溶热处理过程，采用低温时效热处理也无法消除锻件中的残余应力。
但该观点有待进一步商榷。以上试验测试结果表明，通过设计去应力退火工艺，可以降低直接时效工艺制备的GH圆钢的残余应力，尽管只是XRD方法测试出的表面残余应力降低。此外，俄罗斯制造的航空发动机涡轮盘（如x，3n，3x，ox等圆钢）毛坯在模锻后，在都需要采用℃左右的退火工艺，目的就是消除或降低圆钢的残余应力，而且该温度并不一定高于合金的静态再结晶温度。
2.2热处理工艺对美国IN模拟盘残余应力的影响
图3显示的是锻态与℃×8h，50℃/h，FC，℃×8h，AC时效热处理态IN模拟盘表面残余应力对比。可以看出，机加工后的锻态IN表面残余应力较高，并且与国内抚钢料制备的模拟盘的表面应力分布规律相同，在辐板处3个测定点的残余应力均表现为压应力，最大值达到-.3MPa。而轮缘处有2点表现为拉应力状态。经过℃×8h，50℃/h，FC，℃×8h，AC时效热处理后，Inconel模拟盘表面应力值显著降低，且绝大部分测定点为压应力状态。
为了分析低温退火工艺对残余应力的影响，进一步采用℃×2h，AC工艺热处理经过时效后的Inconel模拟盘。从图3中数据对比可看出，时效热处理后的Inconel模拟盘进一步采用去应力退火热处理后，表面残余应力值降低不明显，个别部位甚至出现压应力增大的现象。这与国内GH合金制备的圆钢表面残余应力出现一定差别。
出现该现象的原因有可能是国外Inconel合金采用真空感应熔炼VIM）+电渣重熔（ESR）+真空自耗重熔（VAR）三联工艺制备，而国内抚钢GH料是真空感应熔炼（VIM）+真空自耗重熔（VAR）双联工艺制备，从均匀化程度和纯净度方面对比考虑，Inconel料更优一些，这也许是采用去应力退火进一步处理，残余应力下降很少的原因。采用穿透深度达到60mm中子衍射方法测定了直接时效工艺制备的Inconel涡轮盘内部残余应力，研究表明，Inconel涡轮盘残余应力大部分是被圆钢内部拉应力平衡近表面的压应力，说明表面残余应力在直接时效工艺制备的Inconel圆钢中占主要部分。
2.3GH圆钢与IN圆钢残余应力的对比
图4显示的是锻造态的圆钢经过时效热处理（℃×8h，50℃/h，FC，℃×8h，AC）后，国内GH圆钢与国外Inconel合金制备的圆钢，采用同一种加工工艺加工后表面残余应力测量位置与大小对比。
从图4明显可以看出，采用同种加工工艺的Inconel圆钢与GH圆钢表面都表现为拉应力状态，但Inconel圆钢表面的残余应力值要远小于GH圆钢。为更进一步说明问题，在机加工工艺1的基础上，采用进刀较慢的机加工工艺2加工出GH与Inconel模拟盘。同时可看出，国外Inconel棒材制备的圆钢的表面残余应力仍普遍低于国内GH模拟盘的残余应力。
对GH和Inconel高温合金圆钢来讲，残余应力是表面和内部的一种自相平衡的力，并且中子衍射测定结果表明，表面残余应力占较大比例，而机加工造成的残余应力属于表面残余应力。精加工后的GH零件中残留的冷加工应力，通过长时间存放自然释放内部存在的残余应力是一种方法，前面的试验结果表明，通过合适的热处理工艺（包括真空热处理），也可以短是有效的降低高温合金圆钢中的残余应力。
3结论
（1）机加工工艺对GH圆钢残余应力影响较大，圆钢不同部位残余应力的表现形式不同，机加工造成的残余应用大部分位于圆钢表层。合适的退火热处理工艺是降低GH圆钢残余应力的有效方法；
（2）采用三联熔炼（VIM+ESR+VAR）制备的Inconel圆钢残余应力值小于双真空熔炼（VIM+VAR）工艺制备的GH圆钢。
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