背景简介

Inconel 718（IN718）镍基高温合金因优异的高温强度、热稳定性及成形性，广泛应用于航空发动机涡轮盘、叶片等热端部件的制造。服役过程中，这类构件受流场不均与离心力诱导的高频疲劳载荷，常发生高周疲劳（High cycle fatigue，HCF）与大于10⁷周次的超高周疲劳（Very high cycle fatigue，VHCF）失效。研究表明，室温下IN718合金的HCF及VHCF裂纹萌生主要源于非金属夹杂物、晶界（含孪晶界）处的应力集中与位错累积。机加工及表面处理通过引入表面残余压应力可抑制短裂纹扩展，从而提升疲劳性能，但也可能因局部位错密度降低促进裂纹的萌生和扩展，这凸显表面完整性对HCF及VHCF行为的关键影响。

在涡轮盘锻件的制造过程中，由于热处理后各部位冷却速率不均，导致其内部与表面呈现显著不同的残余应力分布。当前实验室研究多基于小尺寸试样，常忽视大型锻件在残余应力分布上的特殊性。X射线及中子衍射分析显示，IN718涡轮盘芯部轴向、径向及周向可能存在200-400 MPa的残余拉应力，而表面位置附近则呈现0-500 MPa的残余压应力。这种应力状态会显著改变循环载荷下的平均应力水平，进而对疲劳寿命产生重要影响。然而，现有相关研究主要集中于低周与高周疲劳寿命范围，在超高周疲劳寿命范围中固有残余应力的作用仍有待深入探究。

此外，常用的疲劳寿命预测模型（如Murakami模型及其衍生方法）多基于微观组织特征与力学性能参数构建，缺乏对表面粗糙度、残余应力等表面质量关键因素的综合性考虑，难以准确评估和关联实际构件的高周和超高周疲劳寿命。本研究针对IN718合金在室温和650℃下的高周及超高周疲劳行为，结合实际构件的固有残余应力分布特征，通过断口形貌分析与模型修正，建立了一种综合考虑表面质量与固有残余应力的疲劳寿命预测方法。

成果介绍

（1）实际涡轮盘近表面与内部的固有残余应力存在显著的差异。如图1a所示，本研究于涡轮盘的内部与近表面处取样，分别标记为“Int.”与“Out.”。采用电解剥层法测试了这两个位置的材料的固有残余应力（图1b），定义为σ_RSⁱⁿ；加工为疲劳试样后，对平行标距段进行了表面残余应力和粗糙度的测试，并对其横截面进行了微观表征（图1c）。对涡轮盘“Out.”和“Int.”位置的材料进行了机加工前的微观组织分析和固有残余应力的测定，如图2所示。图2a-2f显示，两种位置的试样在介观尺度上晶粒尺寸、核平均取向差（KAM）、几何必需位错（GND）密度、晶界类型的占比以及拉伸性能上都没有显著的差别，但固有残余应力分布存在较大的差异。其中，“Int.”位置材料在径向和轴向呈现高拉伸残余应力，周向、径向、轴向残余应力分别为67±48 MPa、479±25 MPa和536±39 MPa；而“Out.”位置试样的径向与轴向固有残余应力较小，在加载方向（径向，y方向）上呈压缩残余应力。

图1 试验样品制备与分析方法：(a) 拉伸与疲劳试验的取样位置，(b) 三个正交方向的固有残余应力测试及微观组织分析取样，(c) HCF与VHCF试样的主要尺寸及分析方法

图2 不同取样位置材料的微观组织与拉伸性能：(a)“Out.”位置的反极图，(b)“Int.”位置的反极图，(c) 几何必需位错 (GND) 密度与核平均取向差 (KAM)，(d) 三个正交方向上的固有残余应力，(e) EBSD介观尺度分析结果对比，(f) 拉伸性能对比

（2）涡轮盘近表面处试样在室温下具有最高的VHCF极限。为保证加工条件一致性，综合考虑加工工艺便利性和表面残余应力的引入效果，最终选取30 m/min的切削速度和0.3 mm/rev的进给量作为机加工参数，加工得到了2种表面粗糙度的试样，具体表面质量参数如表1所示。

表1 各组试样的表面质量参数

分别在室温和650℃下进行了超声疲劳试验，得到的S-N曲线如图3所示。疲劳试验结果表明，表面质量和取样位置不同的试样组间疲劳寿命存在显著的离散性。Out-1组试样在相同应力幅下疲劳寿命最高，疲劳极限达621 MPa。而表面残余应力呈拉应力的Int-1和Int-2组试样疲劳极限分别为429 MPa和361 MPa，显著低于Out-1组。对比室温下粗糙度相近的Out-1和Int-1组试样，在加载方向具有固有残余压应力的试样疲劳极限提高约190 MPa。但对于650℃下不同取样位置和不同表面残余应力水平的HT-Out-1和HT-Int-1组试样，其疲劳极限相接近。对各组失效试样的疲劳断口分析表明，室温下不同取样位置的试样疲劳裂纹萌生模式相似，但内部试样的起裂源刻面面积显著大于外部试样（图4），且外部试样次表面起裂的比例更高。

图3 IN718在应力比R=-1时的疲劳S-N曲线

图4 室温下不同取样位置和表面质量的失效试样断口形貌扫描电子显微镜（SEM）图

（3）表面和固有残余应力通过平均应力效应显著影响超高周疲劳性能。表面粗糙度的增加会加剧试样表面应力集中，促使表面裂纹萌生，而本研究中表面粗糙度不同的Int-1与Int-2组试样疲劳极限差为68 MPa，远小于表面残余应力和取样位置不同的Int-1与Out-1组的190 MPa差值（图3），表明残余应力状态对超高周疲劳性能的影响更为显著。虽然本研究采用统一的机加工参数，但涡轮盘不同位置取样的试样在室温的高周和超高周疲劳性能仍存在显著差异。如表1所示，外部试样加载方向固有残余应力为-54.9 MPa，内部试样为479.3 MPa。研究表明，残余应力会通过平均应力效应影响疲劳行为，本研究中外部试样加载方向的平均应力低于内部试样，室温下疲劳性能差异主要源于残余应力诱导的等效应力比（R_eff）变化（式1），等效应力比增大使平均应力升高，进而降低疲劳极限：

其中σ_min和σ_max分别为加载时的最小和最大应力，σ_RS,y^eff为加载方向上的有效应力。

    对于高温下相近的超高周疲劳极限，这归因于高温载荷下残余应力的快速松弛。本研究对涡轮盘两部位试样进行等温热处理，结果表明：经550℃和650℃处理14小时（10⁹周次，20 kHz）后，加载方向残余应力趋近于零，其引发的平均应力效应可忽略，最终导致疲劳性能相接近。

对于高温下相近的超高周疲劳极限，这归因于高温载荷下残余应力的快速松弛。本研究对涡轮盘两部位试样进行等温热处理，结果表明：经550℃和650℃处理14小时（10⁹周次，20 kHz）后，加载方向残余应力趋近于零，其引发的平均应力效应可忽略，最终导致疲劳性能相接近。

（4）综合考虑表面和固有残余应力以准确预测HCF和VHCF寿命。疲劳试验中，受表面与固有残余应力影响，应力状态可以等效为图5a所示的形式：仅考虑表面残余应力或固有残余应力时，可分别用黑色虚线与实线表示；试样横截面的等效应力状态可以表示为加载应力幅与表面和固有残余应力的叠加，用红线表示。基于现有疲劳残余应力效应模型，表面与固有残余应力的共同作用可表示为两者贡献占比的函数：

其中N_f为疲劳寿命，d为材料常数（本研究中取1）。

图5 (a) 考虑固有残余应力和表面残余应力的等效应力状态示意图；(b) 表面粗糙度等效示意图

采用所提出的模型评估寿命时发现：仅考虑固有残余应力（α=1，β=0）时，预测疲劳寿命多位于20倍误差带内（图6a），表明仅叠加固有残余应力与应力幅会忽视表面加工质量的关键影响；而仅考虑表面残余应力（α=0，β=1）时，预测寿命普遍高估（图6b），这是因表面残余应力通常分布不均且XRD仅能测量浅层区域，无法真实地反映应力状态。此外，固有残余应力虽对静态拉伸性能影响微弱，却可以影响疲劳加载过程中的平均应力或局部强度间接作用于寿命。本研究基于Basquin模型（其指数可代表循环载荷下材料的退化程度），引入等效应力比并结合Wöhler和Fatemi经典理论，将残余应力效应与拉伸性能相关联以量化两者的共同影响。当α=0.65、β=0.35时，所有寿命预测数据均位于3倍误差带内（图6c），这证实高周及超高周疲劳寿命预测需综合考虑表面与固有残余应力的共同作用。

图6 考虑不同位置的残余应力的修正模型得到的预测疲劳寿命：(a) 仅考虑固有残余应力 (α=1，β=0)；(b) 仅考虑表面残余应力 (α=0，β=1)；(c) 考虑两者共同作用的等效残余应力 (α=0.65，β=0.35)

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金（No. 52122506、52475156和12275176）、国家科技重大专项（J2019-V-0010-0078）、上海市高校高峰学科建设项目以及上海高校东方学者计划的资助。本文第一作者：王永杰（华东理工大学），本文通讯作者：温建锋（华东理工大学）。

本期小编 王永杰（整理）

温建锋  （审核）

董乃健（发布）