电脉冲力强化(EPFI)技术提升材料可靠性及循环耐久性的开发与研究

《Journal of Manufacturing and Materials Processing》：Development and Research of Electric Pulse Force Intensification Technology to Improve the Reliability and Cyclic Durability of Materials

　　

在承受高交变应力极端工况下运行的部件、组件及装置服役寿命缩短仍是重大工程难题。本研究通过电脉冲力强化(Electric Pulse Force Intensification, EPFI)技术提升材料的可靠性与循环耐久性以解决上述问题。经研究筛选了适用于电脉冲力强化的设备，开发了电脉冲力强化工艺并优化了电流强度、电流密度及脉冲持续时间等工艺参数。通过对实验数据进行统计分析建立三维模型，推导了关键工艺参数对材料循环耐久性影响的经验数学方程。在低周加载弯曲循环耐久性试验前后观测裂纹几何参数，并利用扫描电子显微镜(SEM)分析裂纹区域材料显微组织，揭示脉冲电流通过使结构缺陷"部分愈合(Partial Healing)"从而提高循环寿命的机制。统计建模得到各特征量间关系的经验方程，阐明了受脉冲电场作用材料内部缺陷部分愈合的机理并评估了电脉冲活化对试样的影响，证明在承受80%极限载荷循环加载后可通过该技术完全恢复部件剩余服役寿命。

研究背景与意义

燃气轮机叶片、联合循环机组部件及超超临界火电机组零件等在交变载荷下易发生疲劳失效，频繁更换导致成本激增。传统表面塑性变形(SPD)仅作用于表层，无法消除基体内部微孔、微裂纹等作为应力集中源的固有缺陷。电塑性效应(Electroplastic Effect)表明高密度脉冲电流(PEC, Pulsed Electric Current)可使电磁场在缺陷处集中并产生温度梯度，绝热条件下裂纹尖端产生压热应力促使缺陷"塌陷"并伴随扩散再结晶，即缺陷部分愈合。现有文献多关注物理模型及成形中塑性改善，鲜见对产品循环耐久性影响的研究。本文以激光熔覆高熵合金表面改性层的17-4PH沉淀硬化不锈钢为对象，探究电脉冲力强化(EPFI)对含表面改性层部件循环耐久性及疲劳裂纹部分愈合的作用，成果发表于《Journal of Manufacturing and Materials Processing》。

主要关键技术方法

以17-4PH钢为基体，激光熔覆(TiNiZrHfCoCu与NiCuTiZrHf)高熵合金粉末制备厚约1.4~1.5 mm表面改性层并预制横向缺口；使用GIT-100脉冲电流发生器（最大100 kA，电容32 μF，脉冲能量40 kJ）施加正弦衰减脉冲电流；在四工位低周疲劳试验机上进行对称纯弯曲(R=-1)低周疲劳试验(103~10? cycles)，变形幅0.2%~1.1%，符合Manson-Coffin方程(ε_a·N^m=C)；采用MPB-2计数显微镜测疲劳裂纹长度，按Paris-Erdogan定律(da/dN=C(ΔK)^m)分析裂纹扩展速率；使用JSM-7500F扫描电镜(SEM)观察裂纹区及愈合区显微组织；对实验数据进行统计回归建立电流密度j(A/mm2)、脉冲数N与裂纹长度l(μm)及愈合率Δl(%)的经验数学模型。

研究结果

3.1. 脉冲电流对原始结构缺陷影响的评估(Evaluation of the Effect of Pulsed Electric Current on Primary Structural Defects)

研究人员对17-4PH基体及两种高熵合金表面改性层试样进行电脉冲处理(EPT)前后低周疲劳试验对比。结果表明：17-4PH循环寿命提升9.2%~16.3%；17-4PH+TiNiZrHfCoCu提升29%；17-4PH+NiCuTiZrHf提升39.5%。统计三维模型显示随电流密度增加裂纹有效长度减小。经回归得三种材料裂纹长度l与电流密度j、循环数N的二阶经验方程(式3~5)，表明优化j与N可显著降低有效裂纹长度。

3.2. 脉冲电流对疲劳裂纹影响的评估(Evaluation of the Effect of Pulsed Current on Fatigue Cracks)

对预产生疲劳裂纹(达0.4N_p0、0.6N_p0、0.8N_p0)的试样施加不同脉冲数及电流密度电脉冲。SEM显示j=539 A/mm2时，105脉冲愈合约45%，126脉冲约55%，138脉冲约66%裂纹闭合；裂纹愈合率Δl(%)与j呈对数关系，与脉冲数N呈二次函数关系(式6~7)，增量随脉冲数增多而递减——因裂纹闭合后尖端电流密度下降。电流密度需足以使裂纹区局部重熔方可缩减有效裂纹长度，但超过2300 A/mm2会致NiCuTiZrHf材料烧蚀形成"弹坑"。推荐多级递增电流脉冲工艺(图5)。SEM观察愈合区组织：愈合裂纹附近为118~860 nm拉长超微晶晶粒(再结晶产物)，界面处有26~485 nm第二相粒子，重熔愈合区内为15~95 nm等轴纳米晶，存在未完全再结晶的大晶内小晶。Paris-Erdogan曲线表明EPT处理后da/dN降低，断口呈韧窝纤维状(沿愈合区扩展)，未处理样为穿晶断裂。统计得出不锈钢单位体积所需比电能q=3.1 J/mm3，一般合金推荐q=2~8 J/mm3，且j与脉宽τ满足j=α·τ^-β(α=1~1.9, β=0.5)。含原始缺陷预加载试样经EPT循环寿命提升1.6%~13.2%。EPT处理与未处理NiCuTiZrHf的ΔK~da/dN关系分别如式9、式10所示。

3.3. 建议与实施前景(Recommendations and Implementation Prospects)

提出电脉冲活化(EPT Activation)三大应用方向：①成形工序间电脉冲退火恢复塑性(耗时较常规热处理少3~4个数量级)；②服役前通过电脉冲退火部分闭合原始缺陷延长寿命；③早期疲劳裂纹阶段部分愈合延缓扩展。明确指出17-4PH管材部分愈合适用阶段为已承载达最大寿命0.8倍(裂纹未达临界尺寸)。单位体积引入电能q*=2~8 J/mm3，按j=α·τ^-β匹配参数，EPT电源可用标准电气与控制设备搭建。

讨论与结论翻译

研究表明选用GIT-100脉冲电流发生器可实现对金属原始结构缺陷及疲劳裂纹的"部分闭合"。开发的电脉冲力强化(EPFI)工艺优化了电流强度、电流密度及脉冲持续时间。通过统计三维模型与经验方程量化了关键参数对循环耐久性的影响。低周弯曲疲劳试验前后裂纹几何参数测量及SEM分析证实脉冲电流通过结构缺陷"部分闭合"提高循环寿命。统计建模得出裂纹部分愈合率Δl(%)与脉冲数N及电流密度j(A/mm2)的依赖关系。研究阐明电脉冲作用下材料缺陷部分愈合机制——裂纹尖端电磁场集中→局部快速升温→绝热压缩热应力使裂纹塌陷+局部重熔再凝固+强扩散再结晶——并证明在部件经历达80%极限循环载荷后可借该技术完全恢复服役寿命，具多次修复潜力(燃气轮机叶片等)。含预疲劳裂纹但未达临界尺寸(N_pr=0.8N_p0)试样循环寿命增幅最大(达1.1倍)。综上所述，脉冲电流通过缩短疲劳裂纹有效长度，可在近极限应力/应变交变载荷条件下延长部件、组件及装置的服役寿命。