面向涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压参数优化

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.01.007

摘要/Abstract

摘要：

为解决GH4169高温合金涡轮盘榫槽凹圆弧区域应力集中导致疲劳寿命缩短的问题，研究了滚压参数对加工表面完整性指标和试件疲劳性能的影响规律和机理。研究结果表明，增大滚压力可显著改善表面质量，提高试件的疲劳性能；增加滚压次数可进一步改善表面质量；提高滚压进给速度会减弱强化效果。滚压力425 N、滚压3次、滚压进给速度1 mm/s时，试件的最大疲劳循环次数为6.84×10⁵，较未强化试件提高了1倍。

关键词: 滚压强化, GH4169高温合金, 涡轮盘榫槽, 表面完整性, 疲劳寿命

Abstract:

To address the issues of reduced fatigue life in concave arc regions of GH4169 superalloy turbine disk mortise grooves due to stress concentration， the influences and mechanism of roller burnishing parameters on machined surface integrity indicators and specimen fatigue performance were investigated. The results demonstrate that， increasing the roller burnishing force significantly improves surface quality and enhances the fatigue performance of the specimens. Increasing the number of roller burnishing passes further improves surface quality， while increasing the roller burnishing feed rate diminishes the strengthening effect. Under the conditions of a roller burnishing force of 425 N， three roller burnishing passes， and a feed rate of 1 mm/s， the maximum fatigue cycles of the specimen reache 6.84×10⁵， which is double that of the non-strengthened specimen.

Key words: roller burnishing, GH4169 superalloy, turbine disk mortise groove, surface integrity, fatigue life

中图分类号:

TG376

余昶锐, 刘良宝, 周靖刚, 张函, 黄东, 张宁, 李勋. 面向涡轮盘榫槽凹圆弧表面的滚压参数优化[J]. 中国机械工程, 2026, 37(1): 60-65.

YU Changrui, LIU Liangbao, ZHOU Jinggang, ZHANG Han, HUANG Dong, ZHANG Ning, LI Xun. Optimization of Roller Burnishing Parameters for Concave Circular-arc Surfaces of Turbine Disk Mortise Grooves[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(1): 60-65.

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图/表 10

表 1 高温合金GH4169的常温（25 ℃）力学性能

Tab.1 Mechanical properties of superalloy GH4169at room temperature（25 ℃）

弹性模量E/GPa

屈服强度

σ_s/MPa

图1 涡轮盘榫槽凹圆弧结构示意图

Fig.1 Schematic of turbine disk tenon-groove concave arc

图2 等效试件结构图

Fig.2 Equivalent specimen structure schematic

图3 滚压工具实物及滚压强化现场图

Fig.3 Roller burnishing tools and on-site images of the roller burnishing process

表2 滚压强化参数

Tab.2 Roller burnishing parameters

序号	滚压力F_r/N	滚压进给速度v_f/（mm·s $- 1$ ）	滚压次数n_r
1	0	0	0
2	225	1	3
3	425	1	3
4	675	1	3
5	675	1	1
6	675	1	2
7	675	2	3
8	675	3	3

表2 滚压强化参数

Tab.2 Roller burnishing parameters

序号	滚压力F_r/N	滚压进给速度v_f/（mm·s $- 1$ ）	滚压次数n_r
1	0	0	0
2	225	1	3
3	425	1	3
4	675	1	3
5	675	1	1
6	675	1	2
7	675	2	3
8	675	3	3

图4 表面形貌观测结果

Fig.4 Surface topography observation results

图5 滚压参数对表面粗糙度的影响

Fig.5 Effect of rolling parameters on surface roughness

图6 滚压参数对亚表面显微硬度与表面残余应力的影响

Fig.6 Effect of rolling parameters on subsurface microhardness and surface residual stress

图7 表层金相组织观测结果

Fig.7 Surface layer metallographic observation results

图 8 滚压参数对试件疲劳寿命的影响

Fig8 Effect of rolling parameters on specimen fatigue life

参考文献 30

[1]	杜金辉，吕旭东，董建新，等. 国内变形高温合金研制进展［J］. 金属学报， 2019， 55（9）： 1115-1132.
	DU Jinhui， Xudong LYU， DONG Jianxin， et al. Research Progress of Wrought Superalloys in China［J］. Acta Metallurgica Sinica， 2019， 55（9）： 1115-1132.
[2]	蒋倩，蒋立鹤，黄云峰，等. 镍基高温合金热处理工艺研究进展［J］. 锻压装备与制造技术， 2021， 56（6）： 127-130.
	JIANG Qian， JIANG Lihe， HUANG Yunfeng， et al. Research Progress on Heat Treatment Process of Nickel-based Super-alloys［J］. China Metalforming Equipment & Manufacturing Technology， 2021， 56（6）： 127-130.
[3]	ZHAO Wang， HE Weifeng， LIANG Xiaoqing， et al. Enhancing Elevated-temperature Fretting Wear Performance of GH4169 by Tuning Wear Mechanism through Laser Shock Peening［J］. Tribology International， 2024， 192： 109215.
[4]	李先国，孙伦业，高鑫，等. 涡轮盘榫槽电火花线切割加工质量研究［J］. 机械工程师， 2024（3）： 55-58.
	LI Xianguo， SUN Lunye， GAO Xin， et al. Research on EDM Wire-cutting Quality of Turbine Disk Dovetail Slots［J］.Mechanical Engineer， 2024（3）： 55-58.
[5]	吴重军. 碳化硅磨削微观损伤机理及其高性能磨削技术研究［D］. 上海：东华大学， 2017.
	WU Chongjun. Study on Micro-damage Mechanism and High-performance Grinding Technology of Silicon Carbide［D］. Shanghai： Donghua University， 2017.
[6]	XUE Kai， CHEN Peng， LIU Wenbo， et al. Geometric Structures for Sialon Ceramic Solid End Mills and Its Performance in High-speed Milling of Nickel-based Superalloys［J］. Coatings， 2023， 13（9）： 1483.
[7]	DHALE S R， DESHMUKH B B. WEDM with Different Diameter Wire Electrodes on Inconel 718： Improved Dimensional Deviation， Wire Consumption and Surface Quality［J］. Materials Today： Proceedings， 2023， 72： 896-903.
[8]	CHEN Mingsong， CHEN Quan， LOU Yumin， et al. Effect of Cooling Recrystallization Annealing Treatment on Properties of an Initial Aged Deformed GH4169 Superalloy［J］. Materials Science and Engineering： A， 2022， 831： 142232.
[9]	LI Lubin， WU Mingyang， LIU Li. The Research on the Cutting Test of Ni-based Superalloy GH4169 and Optimization of Process Parameters under High Pressure Cooling［J］. Integrated Ferroelectrics， 2021， 218（1）： 83-96.
[10]	LI Gensheng， XIAN Chao， XIN Hongmin. Study on Cutting Chip in Milling GH4169 with Indexable Disc Cutter［J］. Materials， 2021， 14（11）： 3135.
[11]	YIN Xiaoming， LI Xun， LIU Yihang， et al. Surface Integrity and Fatigue Life of Inconel 718 by Ultrasonic Peening Milling［J］. Journal of Materials Research and Technology， 2023， 22： 1392-1409.
[12]	丁文锋，李本凯，傅玉灿，等. 涡轮盘榫槽加工技术现状与展望［J］. 中国机械工程， 2021， 32（23）： 2785-2798.
	DING Wenfeng， LI Benkai， FU Yucan， et al. Research Status and Development Prospect of Machining Technology for Turbine Disc Slots［J］. China Mechanical Engineering， 2021， 32（23）： 2785-2798.
[13]	任小平. 高温合金GH4169车削加工表面完整性及抗疲劳加工工艺研究［D］. 济南：山东大学， 2019.
	REN Xiaoping. Research on Surface Integrity and Anti-fatigue Machining Process in Turning of Superalloy GH4169［D］. Jinan： Shandong University， 2019.
[14]	朱然.平顶光束多点激光冲击薄壁件的强化与变形研究［D］.南京：东南大学，2019.
	ZHU Ran. Research on Strengthening and Deformation of Thin-walled Parts by Multi-point Laser Shock Peening with Flat-Top Beam［D］. Nanjing： Southeast University， 2019.
[15]	YAO C F， JIN Q C， HUANG X C， et al. Research on Surface Integrity of Grinding Inconel718［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 65（5）： 1019-1030.
[16]	LI Xun， QIN Bin， WANG Ziming， et al. Grinding of Fir Tree Slots of Powder Metallurgy Superalloy FGH96 Using Profiled Electroplated CBN Wheel［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2021， 115（1）： 311-317.
[17]	WANG Haining， LI Xun， WANG Ziming， et al. Influence of Electroplated CBN Wheel Wear on Grinding Surface Morphology of Powder Metallurgy Superalloy FGH96［J］. Materials， 2020， 13（4）： 1005.
[18]	WANG Ziming， WANG Haining， LI Xun， et al. Surface Integrity of Powder Metallurgy Superalloy FGH96 Affected by Grinding with Electroplated CBN Wheel［J］. Procedia CIRP， 2020， 87： 204-209.
[19]	BUREK J， BABIARZ R， BUK J， et al. The Accuracy of Finishing WEDM of Inconel 718 Turbine Disc Fir Tree Slots［J］. Materials， 2021， 14（3）： 562.
[20]	KLOCKE F， VOGTEL P， GIERLINGS S， et al. Broaching of Inconel 718 with Cemented Carbide［J］. Production Engineering， 2013， 7（6）： 593-600.
[21]	郑楠，于广娜，刘晓哲，等. 涡轮盘榫槽裂纹失效分析及喷丸强化改进［J］. 金属热处理， 2019， 44（3）： 237-241.
	ZHENG Nan， YU Guangna， LIU Xiaozhe， et al. Crack Failure Analysis and Shot Peening Improvement for Turbine Disc Mortise［J］. Heat Treatment of Metals， 2019， 44（3）： 237-241.
[22]	瞿祥明. 直升机涡轮盘榫槽激光冲击强化抗高温微动疲劳研究［D］. 广州：广东工业大学， 2022.
	QU Xiangming. Research on Anti-high-temperature Fretting Fatigue of Helicopter Turbine Disk Dovetail Slot by Laser Shock Peening［D］. Guangzhou： Guangdong University of Technology， 2022.
[23]	刘俊，吴清源，李毓洲，等. 小尺寸涡轮盘榫槽激光冲击强化关键技术研究［J］. 电加工与模具， 2019（6）： 47-50.
	LIU Jun， WU Qingyuan， LI Yuzhou， et al. Research on Key Technology of Laser Shock Strengthening for Small-size Turbine Disk Groove［J］. Electromachining & Mould， 2019（6）： 47-50.
[24]	肖值兴，毛建兴，田腾跃，等. 涡轮盘榫槽激光冲击强化数值模拟与试验验证［J］. 航空动力学报， 2022， 37（11）： 2448-2454.
	XIAO Zhixing， MAO Jianxing， TIAN Tengyue， et al. Numerical Simulation and Experimental Verification on Laser Shock Peening for Turbine Mortise［J］. Journal of Aerospace Power， 2022， 37（11）： 2448-2454.
[25]	孙蕴齐，姚倡锋，孙换凤，等. 高温合金喷丸工艺表面完整性及其疲劳性能研究进展［J/OL］. 中国机械工程， 2025： 1-26.（2025-06-16）. .
	SUN Yunqi， YAO Changfeng， SUN Huanfeng， et al. Research Progress on Surface Integrity and Fatigue Performance of High-temperature Alloy Shot Peening Process［J/OL］. China Mechanical Engineering， 2025： 1-26. （2025-06-16）. .
[26]	张宇，李文辉，温学杰，等. 喷丸、滚磨及其组合强化对TC4表面完整性的实验研究［J/OL］. 太原理工大学学报， 2025： 1-12. （2025-02-08）. .
	ZHANG Yu， LI Wenhui， WEN Xuejie， et al. Experimental Study on the Surface Integrity of TC4 by Shot Peening，Mass Finishing and Their Combined Strengthening［J/OL］. Journal of Taiyuan University of Technology， 2025： 1-12. （2025-02-08）. .
[27]	安宏亮，刘梦金，牛志强，等. 机械喷丸+激光冲击复合表面改性TC4钛合金表面完整性研究［J］. 失效分析与预防， 2024， 19（5）： 337-345.
	AN Hongliang， LIU Mengjin， NIU Zhiqiang， et al. Surface Integrity Research of TC4 Titanium Alloy Treated by Laser Shock Peening and Shot Peening［J］. Failure Analysis and Prevention， 2024， 19（5）： 337-345.
[28]	林超辉. 航空发动机涡轮盘榫接材料激光斜冲击强化机理研究［D］. 广州：广东工业大学， 2021.
	LIN Chaohui. Research on Laser Oblique Shock Peening Mechanism of Aero-engine Turbine Disk Dovetail Joint Material［D］. Guangzhou： Guangdong University of Technology， 2021.
[29]	王燕礼，朱有利，杨嘉勤. 滚压强化技术及在航空领域研究应用进展［J］. 航空制造技术， 2018， 61（5）： 75-83.
	WANG Yanli， ZHU Youli， YANG Jiaqin. Rolling Reinforcement Technology and Its Research Application Progress in Aviation Field［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2018， 61（5）： 75-83.
[30]	齐欢. INCONEL 718（GH4169）高温合金的发展与工艺［J］. 材料工程， 2012， 40（8）： 92-100.
	QI Huan. Review of INCONEL 718 Alloy： Its History， Properties， Processing and Developing Substitutes［J］. Journal of Materials Engineering， 2012， 40（8）： 92-100.