微观结构演化及变形层厚度 [page::2][page::7]

• 喷丸处理在表面形成严重变形层，厚度随喷丸时间增加，干喷丸略厚于湿喷丸。

- 干喷丸表面存在大量表面凹坑，导致表面平整度下降。

XRD分析及晶粒细化特征 [page::3]

• 喷丸样品XRD峰值展宽，峰强下降，表明晶粒细化。

- 干喷丸峰宽高于湿喷丸，说明干喷丸变形更剧烈。

• FWHM随喷丸工时增加而增加。

表面形貌与粗糙度对比 [page::4][page::5][page::6]

• 喷丸前表面平整，粗糙度约0.247μm。

- 干喷丸后表面粗糙度显著升高，最高达2.225μm，表面堆积和片状突起明显。

• 湿喷丸有效降低粗糙度，Ra最低约1.149μm，表面更加平滑且无凹陷。

微硬度变化趋势 [page::6]

• 喷丸处理显著提升表层微硬度，最长10分钟干喷丸最高达345HV，湿喷丸338HV。

- 表面硬度分别较原始状态提高约20%和17%。

残余应力分布及影响因素分析 [page::7]

• 所有喷丸样品表面及近表面存在压应力场，最大残余压应力（MRS）出现在亚表层。

- 压应力值随喷丸时长增加，如干喷丸MRS明显高于湿喷丸，主要因干喷丸的喷丸强度更大。

• 湿喷丸因润滑缓冲作用，降低喷丸强度，减小残余应力峰值，但提升表面平整度。

量化微观结构机制——变形孪晶和位错活动驱动超细晶形成 [page::7][page::8][page::9][page::10]

• TEM观察表面存在纳米晶粒及大量机械孪生，位错组网形成细胞结构。

- 变形孪晶贯穿不同层级，细化粗晶形成亚微米至纳米尺寸晶粒。

• 模式示意图揭示孪晶细分和位错活动的协同演化过程，驱动表层纳米晶形成。

结论总结 [page::11]

• 湿喷丸有效平衡微观结构强化与表面质量改善。

- 喷丸时间对残余应力提升作用有限，表面覆盖快速饱和。

• 变形机制主要为孪晶和位错形成纳米晶粒，提升性能。

详尽分析报告：《Microstructure evolution and residual stress changes of the GH4169 alloy by wet shot peening》

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1. 元数据与概览

标题：Microstructure evolution and residual stress changes of the GH4169 alloy by wet shot peening
作者：P F Zhou, H Z Zheng\*, S H Guo, S P Cheng, G F Li
机构：National Defense Key Disciplines Laboratory of Light Alloy Processing Science and Technology, Nanchang Hangkong University, Nanchang, China
联系方式：zhznchu@126.com
主题：本报告研究了GH4169镍基高温合金通过湿式喷丸与干式喷丸处理后，其微观组织演变及残余应力变化。重点比较两种喷丸工艺对材料表面微结构、表面硬度、表面形貌、粗糙度及残余压应力的影响。

核心论点和结论：

• 湿式喷丸相比干式喷丸显著降低了材料表面的缺陷和粗糙度，同时两者均能产生显著的显微组织细化和残余压应力。

- 喷丸时间越长，材料表面变形层厚度和残余压应力均随之增加，但达到一定饱和后增长有限。

• GH4169合金变形机制主要为位错滑移和机械孪生。

- 湿喷丸的表面残余压应力略高，且表面粗糙度更低；而干喷丸的最大残余压应力（深层）更大，主要由于其更高的喷丸强度。

该研究为通过湿式喷丸技术提高GH4169合金的表面性能提供了科学依据，为航空航天等领域的实际应用和工艺改进提供指导。[page::0,1]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言

介绍了GH4169镍基超合金在高温领域（尤其航天）的重要应用，但其疲劳强度和磨损疲劳性能不足，亟需工艺改进以提升性能。喷丸作为表面强化常见工艺，传统干喷丸容易导致表面粗糙度上升，产生缺陷，不利疲劳性能。湿喷丸通过在液态介质中喷丸，有效降低摩擦和冷却表面，提高表面质量，减少粗糙度和环境污染，文献显示其有利于残余应力诱导和疲劳性能提升，但尚无针对GH4169的湿喷丸研究。

因此，本文针对GH4169进行湿喷丸实验，比较其与干喷丸在微观结构及残余应力方面的差异，填补该领域空白。[page::0,1]

2.2 实验方法

• 材料为GH4169合金，化学成分详细列明，标志性成分包括52.38% Ni, 18.61% Cr等，冷却至室温后原始结构均匀，晶粒约100μm，含退火孪晶（图1示意）。

- 样品尺寸8×8×5 mm，表面抛光至2000目及钻石砂纸研磨。

• 两种喷丸工艺：干喷丸，湿喷丸（1体积比的钢丸与3体积比水混合，液态介质润滑冷却）。

- 喷丸参数固定为1mm钢丸，压力0.7MPa，喷丸时间3分钟和10分钟，喷嘴与样件距离550mm，垂直喷射角90°。

• 表征技术多样：金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、表面粗糙度仪、三维非接触式光轮廓仪及残余应力X射线应力仪等。

- 微硬度测试采用HV测试，载荷200g，保压20秒。[page::1]

2.3 结果分析

2.3.1 横截面微观结构（图2）

• 喷丸处理后，表面层出现明显的强变形层，厚度随喷丸时间增长而增加。

- 干喷丸的变形层厚度（3min约85μm，10min约200μm）略大于湿喷丸（3min约80μm，10min约185μm）。

• 干喷丸10min样表面多坑穴，平面度低；湿喷丸平整度明显较好，表明润滑液减弱了撞击造成表面粗糙化。[page::2]

2.3.2 相变分析（图3，表1）

• XRD分析显示，喷丸前后仅含有奥氏体γ相，未形成新相，说明喷丸未引起相变。

- 喷丸导致XRD峰的展宽，峰值强度降低，峰的全宽半高（FWHM）变大，说明晶粒细化，且喷丸时间越长FWHM越大。

• 干喷丸的FWHM大于湿喷丸，提示干喷丸表面塑性变形更强。[page::3]

2.3.3 表面形貌及粗糙度（图4-7）

• 原始样表面光滑，Ra值约0.247μm。

- 干喷丸3min后表面起伏明显，出现堆积物和片状隆起，10min后出现表面塌陷现象，Ra升至2.115μm。

• 湿喷丸3min表面平整，无明显堆积，Ra仅升至约1.149μm，10min时虽有隆起，但无塌陷，Ra仍低于干喷丸（1.167μm）。

- 总体来看，湿喷丸显著降低了表面粗糙度，提高了表面质量，这与喷丸时液态介质的润滑与缓冲效果密切相关。[page::4,5,6]

2.3.4 微硬度（图8）

• 原始样硬度约289 HV，喷丸后表面硬度明显提升。

- 喷丸时间越长，硬度提升越明显，10min干喷丸硬度达345 HV（提升20%），湿射丸338 HV（17%的提升）。

• 湿喷丸硬度提升略低于干喷丸，可能与其塑性变形程度稍弱有关。[page::6]

2.3.5 残余应力（图9）

• 所有喷丸样本表面均产生压应力场，残余压应力先增加后随深度减小。

- 最大表面残余压应力（SRS）为-586 MPa，最大残余压应力（MRS，出现在亚表层）为-795 MPa。

• SRS和MRS均随喷丸时间延长而增加，但增幅有限，说明喷丸表面快速达到饱和覆盖。

- 湿喷丸的SRS略高于干喷丸，因干喷丸粗糙度影响压应力释放。

• 但干喷丸的MRS高于湿喷丸，主要由于干喷丸中喷丸强度更大，冲击能量更高，带来更深的塑性变形。[page::6,7]

2.4 讨论

2.4.1 微结构演化机制（图10~13）

• 表面层因高能撞击产生高密度塑性变形，形成纳米晶层。

- OM和SEM观察呈现强烈塑性变形层，边界模糊，厚度随喷丸时间增加。

• 多向机械孪晶和孪晶交错形成多形状晶粒细化结构。孪晶及其交错影响形成细小晶粒。

- TEM揭示表面层纳米晶粒，存在大量位错堆积和孪晶，表明变形主要由位错滑移与机械孪生共同驱动。

• 由SFE（层错能）分析，GH4169中等SFE（128 mJ/m²），适合位错与孪生并用的机制。

- 微结构演化过程示意图（图13）说明：先形成位错缠结和细胞，再触发机械孪晶，继而孪晶被切分成亚晶，最终形成等轴随机取向纳米晶层。[page::7,8,9,10]

2.4.2 残余应力形成机制

• 喷丸时间延长，动能累积，使塑性变形增强，压应力提高。

- 研究与文献对比发现，硬度较软的材料表现出表层最大残余应力，但GH4169较钢丸更硬，故最大残余压应力出现在亚表层。

• 湿喷丸因液态缓冲，射弹动能降低，故亚表层残余应力小于干喷丸。

- 射弹尺寸和覆盖率是决定位错应力场形成的重要参数，这里1mm弹径迅速达到饱和覆盖，喷丸时间对残余应力影响有限。[page::10]

2.5 结论总结

• 喷丸处理显著提升GH4169合金表面塑性变形层厚度，干喷丸变形层略厚但表面更粗糙。

- 变形机制为位错和机械孪晶的综合作用，形成细化纳米晶层。

• 湿喷丸较干喷丸显著降低表面粗糙度，保持较好表面平整性。

- 表面硬度较原始提高17%-20%，残余压应力显著提升，最大可达-795 MPa。

• 湿射丸表面残余压应力略优于干射丸，而干射丸亚表层最大残余压应力更大，主要是喷丸强度差异所致。

- 喷丸加工参数饱和后性能提升有限。湿喷丸通过润滑缓冲，实现高质量强化，适合GH4169等高端合金表面强化工艺优化。[page::11]

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3. 图表深度解读

图1 — 退火GH4169合金显微组织

• 200μm尺度下观察，晶粒均匀约100μm，存在少量退火孪晶，体现材料初始均匀晶粒结构和低残余应力背景。[page::1]

图2 — 喷丸样品截面金相图

• 四组图展示干/湿喷丸3min和10min不同处理后表面层的变形厚度。

- 3min干喷约85μm，湿喷约80μm；10min分别为200μm和185μm，说明时间和工艺对塑性变形层厚度的影响。

• 干喷10min表面出现坑穴显著，湿喷较平整，兼顾强化和表面保护机制。[page::2]

图3 & 表1 — XRD及FWHM分析

• XRD展示相结构稳定，无新相生成。

- 喷丸导致XRD峰展宽峰值降低，FWHM数值从0.277（未处理）上升至0.4以上（喷丸10min干喷）。

• 干喷FWHM超过湿喷，证实干喷造成更强塑性变形和晶粒细化。[page::3]

图4-6 — 表面形貌及3D轮廓

• 图4为原始样表面，光滑Ra=0.247μm。

- 图5 SEM显示干喷丸3min起伏明显堆积物增多，10min出现塌陷区；湿喷3min表面较平整，10min有隆起，但无塌陷。

• 图6 3D形貌突显对应粗糙度空间分布，干喷粗糙峰值高，湿喷相对平稳。[page::4,5]

图7 — 表面粗糙度柱状图

• 定量显示喷丸对Ra的提升，干喷3min高达2.225μm，湿喷3min仅1.149μm。

- 即使时间增长至10min，湿喷Ra仍低于干喷，验证液态介质缓冲润滑的优越性。[page::6]

图8 — 微硬度沿深度变化曲线

• 数据显示喷丸明显升高表面硬度，最长时间10min干喷达345 HV，湿喷338 HV。

- 硬度随距离表面加深逐渐下降至初始值，塑性变形层厚度在数百μm范围。

• 充分体现喷丸引发的强化效果及工艺条件影响。[page::6]

图9 — 残余应力深度分布曲线

• 四组曲线均显示表面至亚表层有残余压应力峰值，MRS负值最大接近-800 MPa。

- 随喷丸时间增加，残余压应力增强。湿喷SRS略优，但MRS低于干喷。

• 显示射弹能量与液态缓冲之间的竞争，到达应力饱和。[page::7]

图10-12 — SEM与TEM局部显微结构

• 图10示意层级形成：表面纳米晶层（含大量机械孪晶），亚表层多向和单向孪晶，双孪晶交错结构。

- 图11-12 TEM细节揭示纳米晶呈随机取向，含有大量位错堆积和机械孪晶。

• 确认塑性变形机制为位错滑移+机械孪生，这为喷丸强化和细化机制奠定基础。[page::7,8,9]

图13 — 微结构进化示意图

• 清晰展示从原始粗晶（位错缠结→机械孪生形成→孪生细分→纳米晶成熟）全过程。

- 图示辅助理解塑性变形如何驱动微结构细化过程，是理解喷丸强化机理的关键。[page::10]

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4. 估值分析

本报告不涉及直接的财务估值分析，属于材料科学领域实验研究，因此不包含常见的P/E、DCF等金融估值模型，但在工艺优化价值和材料性能提升方面具有实际经济意义，间接影响材料应用的成本效益。

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5. 风险因素评估

报告未明确展开相关风险评估，然而从内容逻辑可推断如下潜在风险因素：

• 工艺控制风险：湿喷丸液体介质比例、喷丸压力、时间等参数控制不准确可能导致强化效果不一致。

- 表面损伤风险：干喷丸虽强化强度更大，但易产生表面坑穴缺陷，可能增加疲劳裂纹起始，这在实际应用中风险显著。

• 材料适应性限制：GH4169合金特性与喷丸参数匹配度不高，可能出现塑性变形不足或过度，影响最终性能。

- 环境及使用风险：喷丸后表面产生的残余应力若不足或不均匀，影响材料服役寿命。

• 这些风险提示后续工艺需结合应用要求，平衡材料表面质量与力学性能。[page::0~11]

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6. 批判性视角与细微差别

• 报告表明湿喷丸塑性变形和晶粒细化略低于干喷丸（FWHM、硬度指标），但表面平整度更高。作者没有深入探讨这种“强度与表面质量”之间的权衡对实际疲劳性能的直接影响，这一点值得关注。

- 实验参数固定1mm钢丸，压力0.7MPa，喷丸时间3和10分钟，覆盖了关键处理时段，但未包含更多变量分析（如不同喷丸粒径、压力等），限制了对工艺通用性的推断。

• 报告中存在排比的多维图表提供丰富数据，但部分图示（如表1）中FWHM单位未列出具体测量误差，存在细节表达不足的问题。

- 机械孪晶与位错的相互作用机制虽有简述，但对孪生形核具体动力学及界面稳定性缺乏更深剖析。

• 报告侧重宏观微观结构表征和残余应力，但未包含疲劳性能的实测数据，实际工程评价仍需补充。

- 总体而言，实验设计严谨，数据详实，结论合理，但未来适宜增加疲劳寿命测试及工艺参数敏感性研究提升实用价值。[page::0~11]

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7. 结论性综合

该报告系统研究了湿式喷丸处理GH4169合金对其表面微结构、表面性能及残余压应力的影响，取得以下关键发现：

• 喷丸处理引发材料表面强烈的塑性变形，形成厚度在80-200μm的强化层。干喷丸变形层厚度略超湿喷，但后者保护表面平整且减少坑穴。

- 微观结构演化中机理主要为位错滑移和机械孪晶，塑性变形使晶粒尺寸从100μm细化至纳米级，纳米晶层随机取向增强材料强度。

• XRD峰展宽、FWHM增加及显微观察同步表明喷丸强化带来显微组织细化。干喷丸的塑性变形更强，微硬度提升较湿喷稍高。

- 表面粗糙度测量及三维轮廓清晰展示湿喷显著降低粗糙度（约50%降低），改善了材料表面质量。

• 残余压应力测定显示喷丸产生SRS和MRS显著的压应力场，数值最高分别为约-586MPa与-795MPa。湿喷丸相比干喷丸获得更高SRS但较低MRS，折射出液体缓冲降低喷丸能量影响残余应力分布。

- 喷丸参数饱和后残余应力提升有限，提示覆盖率及冲击强度为关键影响因素。

• 图示（如图13）生动说明了喷丸诱导的微结构逐步细化过程，为深入理解喷丸强化机理提供直观认识。

该报告通过多种宏微观表征手段，全面分析了湿喷丸技术对GH4169合金的强化效果，证明湿喷丸能够在保证较好表面质量的同时赋予材料一定的强化效果。鉴于航空航天应用对材料疲劳寿命及表面完整性的高要求，报告提示湿喷丸可能成为提高合金使用性能和寿命的有效工艺路径。

综上，作者得出湿喷丸是优于传统干喷丸的改进方案，尤其适合要求表面平整和较低粗糙度的高端合金表面强化，但应权衡最大残余应力的深层效果以适配具体工程需求。该结论为未来GH4169及类似合金的喷丸工艺设计与工业应用提供了坚实的理论和实证基础。[page::0~11]

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总结

本报告是一份结合材料科学实验与表征的详尽研究，系统揭示了湿喷丸对GH4169超合金的强化机理及性能改善。通过大量直观的金相、SEM、TEM及XRD数据支持，清晰展现喷丸时间、工艺差异对微结构和力学性能的影响机制。报告数据完整、逻辑严谨，结论客观，为喷丸工艺优化及材料疲劳寿命提升提供重要参考。未来工作可进一步结合疲劳测试与工艺参数调优，实现理论与工程的有效衔接。

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