分享：高温合金锻件残余应力量化表征及控制技术研究进展

高温合金在国防建设和国民经济发展中有着重要的作用，是先进航空发动机、燃气轮机、航天动力推进系统以及其他高端制造业不可或缺的关键材料[1]。高温合金的合金化极其复杂，通常加入Al、Ti、Cr、W、Mo、Ta、Nb、Co等十余种强化元素，以形成足够的高温强度、优异的抗高温氧化/腐蚀性能以及良好的合金组织稳定性[2~4]。相对于其他金属材料，高温合金锻件制造过程中易形成较大的残余应力[5~7]，从而导致零件在加工和服役过程中的超预期变形和开裂问题[8,9]，并由此带来了高昂的使用和维修成本。

残余应力演化贯穿锻件制造全工艺流程，是引起零件结构稳定性下降的关键因素。残余应力的定义是在没有外力的作用下仍以平衡状态存在于物体内部的应力，其源自材料制备过程中内部不均匀的塑性变形，本质上是残留在材料内部的晶格畸变[8]。高温合金层错能低、回复困难，因此相对于其他金属材料，高温合金在锻件热加工和热处理过程中，残余应力易累积、难释放、控制难度大，在加工和使用过程中问题也比较突出：一方面，在零件加工过程中，残留在锻件中的残余应力会随着部分材料切除而释放[10~12]，作为一种自平衡的内应力，残余应力会在加工后重新分布以求再平衡，同时引起高温合金零件在加工后的自由状态下出现变形，从而对零件的形状和尺寸精度造成显著影响；另一方面，保留在零件中的残余应力还会在后续使用过程中与服役载荷相叠加，改变锻件的实际受力状态，从而影响锻件在使役过程中的尺寸稳定性和疲劳等性能[8,13]，进而对发动机的整机性能、寿命和可靠性产生重要影响。

本文在总结和借鉴现有的高温合金残余应力的量化及控制方法相关研究报道的基础上，结合作者所做的研究工作，详细介绍了多尺度残余应力与高温合金中析出相的交互作用行为，以及残余应力对高温合金构件服役性能的影响，并在此基础上展望了合理预置并利用残余应力的可能性。上述研究需要政产学研用等部门的通力合作，才有可能加速缩短与国外的差距，实现高温合金构件全生命周期残余应力的有效控制，以服务于国民经济发展和国防工业发展的重大需求。

能够准确量化残余应力的数值和分布形态是研究其演化规律并优化控制的重要基础[14]。当前，高温合金锻件残余应力量化分析主要受到如下2个方面的限制：(1) 不同的测试方法有着不同的测试深度和分辨率，对应着不同场景下残余应力测试的适用范围，而现阶段没有一种测试方法可以实现残余应力在制备全流程、全位置的表征；(2) 虽然残余应力作为弹性应力，在构件内部是互相平衡的，但是不同于组织和力学性能测试，构件中每一点的残余应力并不能代表也无法推演其他位置的残余应力情况；并且，如果“取样”测试，还势必造成整个构件残余应力场发生变化且不可逆。综上，对于内部残余应力演化规律的研究来说，最科学有效的研究手段就是要利用模拟仿真技术实现其精确计算[7]。进一步地，选取适当的残余应力测试表征方法，验证校对制备全流程残余应力的计算模型，才能推演整个锻件各个部位的残余应力分布，进而对不同的“热场、力场、形状”变化作出准确响应，在不同工序间合理迭代，从而最终实现残余应力与加工变形的量化分析和预测。

目前，残余应力的测试技术按照测试原理可以分为无损检测和有损检测2大类[15,16]。无损检测技术主要依据材料的物理性能进行残余应力的测试，也称为物理检测法，包括衍射法、超声波法等。衍射法是目前应用最广泛、技术最成熟的残余应力无损检测技术，其测试原理为通过测量晶格间距变化计算原子间的应变，根据Bragg衍射方程和广义Hooke定律，进而由应变推算应力。根据衍射的射线强度不同，衍射法可分为：X射线衍射法(XRD)、同步辐射衍射法(synchrotron X-ray)、中子衍射法(neutron diffraction)[17~19]。对于高温合金来说，X射线衍射法的测试深度在10 μm左右；X射线衍射+剥层法的测试深度可达200 μm左右；同步辐射衍射法的测试深度可以达到0.5 mm左右；中子束能够穿透更深的金属材料组织，因此可以测量更深层(20 mm)的残余应力[20~22]。

相较于其他残余应力测试方法，中子衍射法的优势体现在：(1) 可表征多尺度残余应力，对于高温合金来说，除了常规的宏观应力，还可表征晶间应力和相间应力；(2) 可实现三向应力的面分布测试。宏观应力指宏观尺度下锻件内不同位置间相互平衡的应力，晶间应力是指多晶体系下为了维持相邻晶粒之间的连续性，在协调变形过程中产生的晶粒之间的弹性协调应力[22~24]。相间应力是指γ'相与γ基体之间由于晶格结构、热力学性质的差异，在热处理或形变过程中两相之间的错配变化所产生的弹性应力。另外，通过观察和分析衍射峰的位移、宽化、不对称性，可以得到孪生层错概率、位错密度、堆垛层错能等。文献[25~31]报道了一系列关于晶间应力和相间应力的中子衍射测试及弹塑性自洽模拟，并在此基础上对高温合金等材料的应力演化和塑性变形机制进行了深入研究。此外，由于稳态堆中子源的能量更高，可以通过增加测试点数量的方式测得高温合金构件内部的残余应力面分布[32~34]。图1[33]所示为利用澳大利亚核科学与技术组织(ANSTO)中子源KOWARI应力谱仪，通过合理设计采样体积、中子束强度以及中子束穿透路径，实现了IN718合金锻件内部三向宏观残余应力面分布表征。基于中子衍射技术表征高温合金多尺度应力的关键在于如何准确测量γ基体和γ'相在无应力状态下的晶面间距(d0)。最广泛使用的测量d0的方法是从样品中切下足够小的块状样品，或者切成梳子状试样，从而释放宏观残余应力得到无应力状态标样[35]。这种标定方法存在一定的局限性：一是宏观应力难以完全释放；二是宏观应力释放后晶间/相间应力是否改变并不清楚；三是难以考虑相变过程的动态变化。采用中子衍射原位宏观拉伸和压缩实验可以实现d0的准确评估：根据实验过程中测量γ基体与γ'相的点阵应变时获得的屈服应力不对称性，反推各相的d0。在准确评估d0过程中，还需要特别关注相变带来的影响[24,36]。

中子衍射法虽然可用于残余应力的研究和分析，但是需要资源稀缺的中子源，用于工程实际中的检验并不现实。除了中子衍射法外，超声法也可用于深层残余应力的无损测试，其主要依靠超声波在不同应力状态下材质中传输的速率快慢差异[37]。材料加载应力的变化会导致超声波在材料内部传播速率的变化，速率快慢取决于超声波入射的波形、传播方向和材料内部应力等情况。邰文彬[38]通过超声临界折射纵波法对GH4169环锻件残余应力进行测量，实现了应力变形问题的超声应力标定与控制。由于超声波的方向性好、穿透能力强、可以沿试样表面传播，因此可以检测试样表面以及大体积范围的内部残余应力。然而，超声法受组织影响干扰显著，相比于衍射法分辨率低；同时其主要应用于大范围体积内残余应力的测量，无法获得局部残余应力的大小与状态分布。对于图1[33]中高温合金锻件常见的“外压内拉”式的残余应力分布而言，声波穿透时会存在不同方向应力作用相抵消的情况。

另一类检测技术为有损检测，原理是采用某种方式去除试样部分材料，测量某一特定区域的应变或者位移，基于特定的边界条件对残余应力进行数学反演，也称为机械释放法，常用的有轮廓法、钻孔法和环芯法等。轮廓法是近几年发展起来的最具代表性的通过破坏来测量残余应力的方法，最早由Prime[39]于2001年提出。该方法的原理是构件沿需要研究和评估应力的平面完整切开成为两半，由于应力释放，切割面轮廓发生变形，假设切割面的变形轮廓是由残余应力弹性释放造成的，如果施加外力将变形后的切割曲面恢复到切割前的平面状态，所得到的应力状态就等效于切割前该平面上的原始残余应力，因此可以利用切割面上的变形轮廓得到原始内部残余应力分布[40]。轮廓法对于轴对称的盘环锻件尤为适用，可以与高温合金盘环锻件解剖件相结合，实现工程批产过程中的残余应力测量[41,42]。但是，轮廓法也存在工件表面和近表面处的应力分布存在误差等问题，需要与X射线等其他方法组合使用。与中子衍射法相比，轮廓法的不足之处在于只能表征垂直于切面方向的应力分布，无法测定三向应力分布。对于盘环锻件来说，如图1[33]所示，由于其结构特点通常轴向应力较小，最重要的弦/周向应力可以被轮廓法较完整地捕捉，径向应力则与弦/周向应力量级相当。

钻孔法或环芯法等也是目前常用的有损检测方法。其需要在待测区域钻孔(通常情况下该小孔具有可修复性)，由于小孔处残余应力的释放，引发周围部分发生变形产生应变。通过测量应变实现残余应力的测量。这种方法适用性强、稳定可靠性高、产品损失较小、测量种类广，同时可以识别平面内残余应力的穿透深度(约等于孔半径)。近年来，随着微米尺度钻削技术的发展和图像识别技术的应用，横向微米尺度和深度亚微米尺度的钻孔法和环芯法应运而生。Winiarski和Withers[43]使用聚焦离子束扫描电子显微镜双束系统进行微孔铣削，并通过识别扫描电镜图像得到表面位移，计算得出微观尺度的残余应力。该方法的局限在于只能测量表面残余应力，且应力测量不连续，不适用于大梯度残余应力测量。

综上，当前无损和有损检测法对于高温残余应力的测试各具特点，2者相结合可在高温合金甚至更多合金的残余应力研究中发挥重要作用。此外，不同残余应力测试表征方法的数据结果之间，可以进行更深层次的数据融合，用来解决大型复杂构件全位置三维应力场构建问题。

对于内部残余应力演化规律的研究来说，最科学有效的研究手段就是利用计算机模拟技术实现其精确计算。对于残余应力的弹塑性有限元计算，无论是锻造、热处理、铸造还是焊接过程，都可以被认为是一个热-力耦合问题，即主要计算变量是温度和应力，且温度和应力之间存在交互影响。因此为了实现高温合金构件内部残余应力的产生和演化规律的计算，必须掌握3方面基础数据：材料热-物参数、材料本构模型以及工艺过程的边界条件[7,44]。本构关系的确立可以是简单宏观唯象的，也可以是从微观的材料机理中推导出来的。学者们发展出了4大类金属材料的本构模型：基于连续介质力学的宏观唯象模型[45]、基于位错滑移等微观物理机理的模型[46]、基于宏-微观的多尺度模型[47]，以及基于机器学习的神经网络模型[48]。

高温合金由于其自身对温度和应变速率敏感度较大，导致其本构模型要比其他金属材料复杂，因此需建立相应高温合金材料的黏弹性塑性本构模型，并考虑该合金体现出的动态应变时效、背应力等现象的影响。作者团队[49]针对GH4169合金开展了一系列高温力学实验研究，包括单轴拉伸、拉压循环、应力松弛、蠕变等，结果显示，GH4169合金存在由动态应变时效效应引起的应变率负敏感性、锯齿状流变，以及混合硬化等行为。然后发展了基于位错滑移理论的温度及应变率相关的黏塑性本构模型，模型中考虑了该合金在实验中表现出的动态应变时效、背应力演化、析出相演化等效应。通过与高温实验测量数据对比，标定本构模型参数，使得模型可对锻造和热处理过程中GH4169合金在多种热-力耦合工况下的力学响应进行准确的模拟预测，结果如图2[49]所示。

此外，高温合金在热加工和热处理过程中还会发生体积分数较大的动态相变，这就使材料本征参数与“热、力”条件的关系更为复杂，出现了与时间相关的动态变化过程。以GH4169合金盘件的时效过程为例，会有共约25% (体积分数)的强化相(γ'、γ")随时效时间延长陆续析出，原有的残余应力会通过塑性变形或蠕变在时效中释放，但是由于析出相变的发生，时效过程中材料的屈服强度和蠕变强度是动态提高的，所以残余应力的释放规律必然会由于受到相变影响而改变[50]。对于高温合金涡轮盘工件残余应力的模拟计算来说，最大的难点同样来源于制造过程中的析出相变。γ"和γ'相的析出会使材料的弹塑性本构关系发生变化；同时，析出相变也造成明显的体积收缩。因此，残余应力的模拟计算是温度、组织、应力(应变)相互耦合的复杂过程，如图3所示。

残余应力在材料中具有遗传特性。在制备过程中，残余应力会被传递到后续加工过程中。然而，现有残余应力的仿真多针对单工序进行，难以实现制造全流程残余应力的仿真预测。要想实现对高温合金构件制造全流程工艺的统筹，精确地把握各环节因素对残余应力的影响，需要突破塑性应变数据跨工序传递，建立一套贴近整个实际生产流程的链式仿真平台，并与测量结果进行系统校验，从而可对实际过程中的可变因素进行系统的定量研究，为实际生产的工艺优化提供理论依据。

与组织演化一样，残余应力演化也具有鲜明的遗传特性，贯穿构件制造全流程，是制造过程变形及可靠性下降的关键因素。对于高温合金锻件，其制备全流程中热-机械耦合作用是影响残余应力产生和演化的关键工序，因此下文将分别从铸、锻、热处理、机加工、焊接等工艺出发，重点阐述高温合金锻件残余应力的产生和演化行为，并由此衍生至铸造、增材制造等其他工艺制备的高温合金构件。

铸造是高温合金构件生产过程的重要工序，既包括变形高温合金熔炼后铸锭的制备，也包括高温合金精密铸件的铸造成型。综合来看，铸造过程中的残余应力主要是由于铸件凝固时各部分冷却不均匀以及铸型的阻碍作用，导致合金冷却过程收缩受阻与不同部位的相互制约产生的[51]。对于高温合金铸锭来说，随着合金化程度的增加以及铸锭尺寸的增大，在实际工业生产中大尺寸的真空感应熔炼(vacuum induction melting，VIM)铸锭经常发生由残余应力导致的开裂(包括电极径向、轴向裂纹以及内部裂纹)等问题。VIM铸锭开裂可分为2大类：热裂和冷裂。其中，热裂发生在液相凝固过程中，主要是由枝晶偏析与凝固收缩所致；冷裂发生在固体冷却过程中，包括冷却不均匀(温差)造成的热应力以及相变应力等导致的裂纹[52]。图4为采用ProCAST模拟计算的GH4169合金在1460℃进行浇注后产生的残余应力。采用不同的冷却方式可以在某种程度上缓解电极残余应力(开裂倾向)程度。当应力超过了一定极限又未能及时释放，便为裂纹的形成与扩展提供了充要条件。因此，影响开裂的因素除合金的成分之外，也包括枝晶的尺寸与偏析程度、电极凝固速率(与感应熔炼浇注工艺相关)以及电极冷却方式及其速率等。与高温合金铸锭相比，精密铸件(如复杂薄壁机匣构件、涡轮转动及导向叶片等)受到高速凝固以及复杂模壳、型芯的约束作用，导致其残余应力数值更高，且分布形态更复杂[53,54]。Farhangi等[54]通过模拟仿真和实验测试方法验证表明，凡是影响到温度梯度、热流方向以及冷却顺序的因素都会改变残余应力的数值和分布形态。

自由锻和模锻是变形高温合金成型的关键工序。具体地，多工序锻造过程可以细分为预热、热变形、保压暂停以及冷却等。除了涉及到动态再结晶、亚动态再结晶、静态再结晶以及晶粒长大等组织转变外，锻造过程中还会产生不均匀的塑性变形，从而导致残余应力的产生和演化[55]。其中，影响残余应力的关键参数主要包括锻造温度、变形速率和累积变形量。一般来说，在再结晶温度附近进行的热变形难以形成高水平残余应力。同理，即便在低温锻造或锻后冷却过程中形成了一定量级的残余应力，通常情况下也可以在后续的高温固溶热处理过程中充分释放。

固溶热处理的目的主要是将高温合金在铸造以及随后的开坯、镦饼、模锻等热变形过程中形成的粗大析出相(γ"相和γ'相、部分δ相等)溶入基体中，为以后的时效过程析出均匀、细小的强化相做准备，同时也可以充分释放前期铸锻过程中产生的残余应力。为了获得足够的强化水平，高温合金构件在固溶处理后以一定速率快速冷却，以确保γ'或γ"强化相在此过程中不发生粗化[56]。研究[7]表明，影响高温合金锻件中残余应力的最主要工序是固溶处理后的快速冷却过程。淬火应力形成的本质原因是锻件不同区域之间的体积差异，这既包括温度不同引起的热膨胀差，也包括相变引起的体积变化。在体积差异形成的应力作用下，合金在较高温度下以黏塑性方式变形，而在较低温度下表现出弹塑性变形行为。锻件内部不同步且不均匀的塑性变形会在锻件完全冷却至等温后，形成应力残留。冷却初期，表层或轮缘先冷区域因温降而收缩，使温度较高的心部承受压应力；反之，心部后冷区域温度较高、体积较大，使温度较低的表层承受拉应力。随后，待心部开始冷却时，其收缩倾向受到已冷表层的牵制而承受拉应力；外层相应地呈压应力。对于径向尺寸明显大于轴向尺寸的盘型锻件而言，残余应力难以在轴向累积，主要以弦径方向为主，沿轮廓呈“外压内拉”的特点，而轴向残余应力相对较低。研究表明，GH4169合金(Inconel 718)盘锻件淬火后残余应力可达400 MPa左右[5,7]，而GH4720Li (Udimet 720Li)、AD730、Astroloy、RR1000等高合金化高温合金盘锻件的淬火残余应力可达800 MPa甚至更高[57~59]。

与钛合金和铝合金不同，高温合金由于在高温下的强度高、蠕变抗力大，使得铸/锻和固溶淬火后产生的残余应力难以通过低于时效温度的去应力退火进行消除[60,61]。作者团队[62]借助于原位加热条件下的中子衍射实验，获得了720℃保温过程中高温合金盘锻件内部残余应力的演化规律。图5[62]为从室温加热至720℃保温8 h后空冷至室温过程中，GH4169合金盘锻件中心位置的残余应力随时间的变化结果。结合组织观察及分析，认为时效过程中残余应力的演化主要分为3个阶段。(1) 升温过程中材料强度逐渐降低，圆盘中心处弦向/径向残余应力随温度升高而下降。淬火后圆盘中心的等效应力约为360 MPa，在升温至720℃过程中，圆盘工件中心处的等效残余应力与该温度下材料的屈服强度变化趋势一致，且水平接近。这证明在时效的升温阶段，由于材料强度随温度的升高而逐渐降低，超过屈服强度的残余应力会通过塑性变形的方式进行释放。等效残余应力略低于同温度下的材料屈服强度可能源于盘锻件心部的升温延迟(设定温度下保温30 min后进行测试)或材料的滞弹性。(2) 720℃保温阶段，GH4169合金逐渐析出γ"相和γ'相，材料强度逐渐提高，使得残余应力难以继续通过塑性变形的方式进行释放。但是，时效热处理的保温温度较高，工件内部的残余应力有可能通过蠕变变形的方式进行释放。Aba-Perea等[60]推测时效过程中残余应力的松弛行为与蠕变变形有关。根据固溶淬火态GH4169合金720℃不同应力条件下的蠕变变形曲线[62]，也证明合金的蠕变抗力与组织中γ"相粒子的尺寸和体积分数密切相关[63,64]。在时效过程中，析出的γ"强化相阻碍位错运动，导致蠕变抗力的增加和蠕变速率的减慢。这与图5[62]中保温过程等效残余应力释放规律基本相符。(3) 时效后空冷至室温阶段，由于温差小、冷速慢，冷却产生的热应力较低，而此时材料屈服强度会显著升高，难以再发生塑性变形，所以冷却至室温后的残余应力与保温结束时相差不大。盘锻件时效完成后的残余应力分布仍保持着淬火残余应力“外压内拉”的分布特征，只是绝对值降低了约1/3。

在高温合金零件加工过程中，随着加工余量部分脱离工件本体，热工艺在锻件中形成的残余应力被部分释放，工件自身的刚度发生了变化，原始的残余应力自平衡状态被破坏。为了恢复平衡，残余应力也会重新分布。通常情况下，加工量越大，残余应力被释放也越多，但是这通常也会带来更大的加工翘曲变形[13,65]。此外，在机加工过程中还会发生由机械应力和热应力引起的零件表层残余应力的变化。一方面，刀具切削工件材料的过程中，刀尖前方的三角形区域会随着刀具的运动而产生沿着切削方向的压缩塑性变形和垂直于切削表面方向的拉伸塑性变形[66]。因此，在沿着切削表面的方向会有拉伸残余应力的产生。与此同时，刀具的后刀面会对已加工表面有进一步的挤压和摩擦，会使其表面发生塑性伸长而产生沿表面方向的压缩残余应力。在实际加工过程中，由机械应力所产生的残余应力是刀具接触点前方塑性凸出效应和刀具接触点后方压延效应的叠加。另一方面，在金属切削加工过程中，由于摩擦和塑性变形的存在都会产生大量的热。这些热量很难及时散发出去，从而导致工件材料表面发生受热膨胀。但是表面的膨胀行为会受到基体的束缚而最终产生压缩塑性变形。当工件完成加工逐渐冷却到室温后，产生压缩塑性变形的表层会在工件表面形成拉伸残余应力[67,68]。机加工过程产生的表层残余应力虽然对零件整体结构影响不大，但会对零件的疲劳性能产生显著影响，因此高温合金构件在加工后通常还要进行喷丸强化等表面强化处理，以在表层一定深度范围内产生压应力。常用的强化方式主要有高能喷丸、机械挤压以及激光冲击强化等[58,69~71]。

目前常用的高温合金锻件焊接方法主要包括氩弧焊、高能束焊、钎焊以及摩擦焊等[72]。其中，高能束焊接方法具有热输入小、能量密度高的特点，与传统氩弧焊相比可以更好地完成对高温合金的冶金连接。摩擦焊则是一种热机械连接技术，通过摩擦产热将工件加热到塑性状态并连接。不论采用何种焊接方法，在焊接过程中连接区域均会受到加热，产生热膨胀，而周围区域则没有受到加热，从而形成温度梯度。焊接过程残余应力的产生和演化根本原因是焊缝和近焊缝区降温收缩受到相邻金属的拘束[73]。通过中子衍射和轮廓法测定高温合金焊缝处存在接近室温屈服强度的残余应力[74]。焊后去应力退火的温度接近或低于合金的时效热处理温度时，残余应力的释放程度有限，仅为最大残余应力的1/3左右。而当焊后去应力退火温度接近或超过固溶热处理温度时，残余应力才会得到有效释放。

近年来，金属激光增材制造技术得到快速发展。使用增材制造技术，可以将传统工艺制造条件下的几十个乃至上百个部件合为一体，减少了大量的焊接工序，不仅降低了部件的制造成本和制造周期，也使得部件的整体结构强度得到提高[75]。然而，由于增材制造过程中非平衡、强约束以及较大的温度梯度等工艺特性，使得其残余应力问题更加突出。尤其是高温合金中γ'相的析出，会与增材制造过程中产生的残余应力相叠加，容易在局部产生应力集中，从而引发工件的局部开裂和超预期变形，这已成为高温合金增材制造亟待解决的共性瓶颈问题。增材制造过程中的内应力主要来源于2方面：打印中急速循环热输入导致的热应力[76,77]和γ'相析出导致的相变应力[78]。在增材制造成形过程中，金属粉末快速熔化，随后会经历快速凝固和冷却，冷却速率高达1.4 × 106 K/s，这将会产生极大的温度梯度(1.5 × 107~4 × 107 K/m)[79]和热应力，并由此导致：(1) 增材制造过程中产生微裂纹；(2) 打印后的构件中遗留较高的残余应力[34]；(3) 遗留高过饱和度的γ单相组织[80]。为了获得预期的高温强度和蠕变性能，打印后的镍基高温合金构件还需通过热处理对组织进行调控，析出弥散分布的γ'相。由γ'相析出导致的相变应力与增材制造过程中遗留的残余应力相叠加，容易在局部产生应力集中，从而导致构件局部产生微裂纹，甚至宏观裂纹。Pant等[34]借助ANSTO中子源对不同打印工艺和摆放方式的IN718合金试件进行了残余应力测定，由于增材制造工艺特性，导致其内部残余应力与传统铸/锻工艺构件相比存在显著差异。第一，分布形式相反：工件表层和近表层为拉应力，心部或者内孔附近为压应力。第二，残余应力更高：增材制造IN718合金构件内部拉应力和压应力的最大值均超过铸/锻工艺的2倍以上。因此，增材制造构件由于残余应力导致的开裂和变形问题也更加突出。目前，通过合理优化循环热输入相关的工艺参数，例如激光功率、扫描策略、基板预热等，可以显著降低热应力，并可以在一定程度上改善构件的残余应力引发的开裂问题[81]。

高温合金锻件残余应力优化控制是解决零件加工和使用过程超预期变形和开裂问题的关键。在其他合金锻件制备过程中成功应用的振动时效、自然时效、预拉伸以及深冷等方法，对于应力释放门槛更高的高温合金工件来说则效果受限。常规的时效热处理只能消除约1/2~1/3的淬火残余应力(受时效温度的影响)。因此，在量化残余应力并揭示其产生和演化行为的基础上，需基于关键工序和因素的识别建立全程优化策略，并在特定工序中进行残余应力的优化调控。目前高温合金构件常用的残余应力优化控制策略主要分为2种：一种是在制备过程中通过冷却场的精准调控来降低残余应力或对其优化预置，即从源头控制残余应力的产生；另一种是通过附加的残余应力消除工序，基于局部塑性应变的精准控制，实现残余应力数值和分布形式的改变，可概括为“先产生后治理”。

通过合理优化并调控铸、锻、热处理以及焊接等制备工序的冷却场，可以显著降低残余应力，从而改善加工和服役过程的结构稳定性[82]。实现温度场，特别是冷却场的精确控制，可以有效降低残余应力。除材料本身的导热率外，外部冷却介质和构件表面的换热系数(heat transfer coefficient)也是影响锻件内部温度梯度的主要因素[83]。作者团队在对残余应力及加工变形进行计算预测的基础上，针对厚重、截面差异较大的盘锻件开发了基于分区控冷技术的残余应力优化工艺及设备(超级气冷装置)，通过调控不同区域的热交换系数，可有效降低盘锻件不同区域的温度梯度，从而控制残余应力的形成过程。如图6所示，通过轮廓法测试，未经残余应力优化控制的GH4169合金典型盘锻件内的残余应力以弦向为主，以“外压内拉”式分布，大小为-300~+300 MPa；经优化控制工艺制备的盘锻件残余应力依然以“外压内拉”式分布，但大小降至-100~+100 MPa以内，降低1倍以上。

进一步地，设计并利用工件不同区域表面换热系数，可获得预想的锻件内部的温度场，进而实现残余应力的预置[84]。图7所示为作者团队通过构件表面换热系数的精确调控，在组织和性能不变的前提下，对GH4169合金盘锻件内部残余应力进行优化设计，并通过轮廓法进行实测验证。实验用锻件的直径约为220 mm，厚度约为50 mm。当锻件不同区域均采用统一且高数值的界面换热系数时，其内部周向的残余应力为-300~+300 MPa，结果如图7a所示；以降低盘锻件不同区域的温度梯度为目标，调控不同区域的热交换系数后，残余应力可以被有效控制在-80~+80 MPa之间，如图7b所示；锻件中心孔处，采用加强的高数值热交换系数时，则可以形成与之对应的残余应力分布，其中轮毂部位为压应力，如图7c所示。需要注意的是，基于冷却场精准调控残余应力的重要前提是要保证组织和关键力学性能不降低。因此，在残余应力优化工艺的设计和实施阶段，需要首先建立材料的冷却工艺窗口和边界[85]。在实施时保证锻件各部位冷速都在力学性能所需要的临界冷速之上，同时控制热交换系数，尽可能减少不必要的“冷速富裕”。

通过附加工序局部塑性应变的精准控制可以在一定程度上消减残余应力并改变残余应力的分布形式。该类方法的基本原理是利用材料的弹塑性变形特性，通过特殊的热机械处理获得附加载荷，与残余应力叠加后在局部引起塑性变形，从而改变高温合金构件原有残余应力场的大小和分布形态。目前常用的热机械处理方式包括高速旋转、内孔胀型、模压以及高频振动等。研究[59]表明，通过高速旋转施加离心载荷引发局部塑性变形后，高温合金盘锻件内部残余应力发生变化。一般来说，高速旋转(预旋转)较为适用于内径/外径尺寸比值大于0.5的环形锻件，在这种条件下锻件内部旋转过程中的离心载荷较为均匀；内孔胀型是通过胀型模具沿径向施加载荷，因此尤其适于高温合金机匣用环形件；模压是在时效温度以下，通过锻压的方式沿轴向施加载荷，通常适用于锻压投影面积较小的锻件。

需要注意的是，基于附加工序局部塑性应变的残余应力的精准控制，重要前提也是要保证组织和关键力学性能不降低。研究[86]表明，在时效温度以下引入的塑性变形会显著影响高温合金持久静载和循环加载下的蠕变和疲劳性能。因此，在引入局部塑性应变调控残余应力工艺的设计和实施阶段，需要先根据其对力学性能的影响建立起材料塑性变形控制边界。此外，毛坯初始残余应力也会对局部塑性应变调控过程产生显著影响。调控前毛坯内部残余应力作为初始应力条件，会与局部塑性应变调控过程中外载相叠加，包括高速旋转施加的离心力、胀形施加的径向应力、锻压施加的轴向应力以及高频振动施加的激振力，从而改变计算中的边界条件，最终影响残余应力的消减和再分布结果。如图8所示，对2种初始残余应力不同的GH4169合金模拟盘毛坯施加相同转速的预处理后，其残余应力大小及分布形式均有所不同；其中，初始残余应力较高的毛坯会表现出如下特征：(1) 高速旋转后重新分布的残余应力相对更大；(2) 随着高速旋转处理转速的提高，周向拉应力逐渐从轮毂转移至轮缘；(3) 高速旋转过程中会发生较大的变形，并导致振动幅度提高，控制难度增大。综上，通过预旋转进行残余应力优化调控和预置的重要前提之一是实现毛坯应力的有效控制。此外，从预应力控制的角度出发，为了更好地控制高速旋转过程中引入的塑性变形，通常要将盘件加工至近终尺寸后进行过载荷旋转，通过不均匀的塑性变形，在盘心部位构成弦向压应力。

综上，通过冷却场的精准调控(分区精确控冷)和局部塑性应变的精准控制(高速旋转、内孔胀型等)均可以实现残余应力的优化控制。与冷却场精确控制相比，高速旋转和内孔胀型等传统方法一方面可能存在附加工序带来的成本问题；另一方面，若控制不当有可能在盘件中产生裂纹源，且因为近终尺寸已不具备探伤条件因此给安全使用带来了风险。而冷却场精确控制的有效实施，需要建立在对制备过程中残余应力产生、加工使用过程的演化，以及引起变形的准确计算预测的基础之上，过程中控制精度要求也比较高。

残余应力对于高温合金锻件服役的影响是跨越宏观与微观尺度的：在宏观尺度上，构件内部分布的一类残余应力，作为初始应力条件，会与外载循环应力相叠加，改变构件的实际受力状态；在晶粒尺寸的介观尺度，分布于各晶粒间甚至更小尺度下的微观内部残余应力，会对高温合金材料的本征力学性能造成影响，引起弛豫效应，从而改变材料在高温下的本构模型；在微观尺度上，应力的存在会改变高温下的相变规律，从而影响合金的力学行为。

高温合金锻件制备过程中产生的残余应力会作为一种附加条件，在时效热处理和服役过程中改变γ'或γ"相强化相的相变行为[36,87,88]，从而影响合金的力学行为。图9[62]所示为GH4169合金盘锻件经固溶淬火后，进行时效处理时心部位置所获得的γ"相强化相形貌与无应力试样存在的差异。可见，时效保温0.5 h后，残余应力作用下的组织中较无应力试样拥有更高数量密度的γ"相核心。显然，圆盘工件中心的残余应力促进了γ"相的形核析出。时效8 h后，残余应力作用下的γ"相尺寸明显小于无应力标样，而γ"相数量密度更高。由于强化相的数量、形貌和尺寸会直接影响合金的力学行为，因此也势必对残余应力在时效过程中的释放产生交互影响。

长期服役过程中，高温合金中的析出相γ'或γ"也会受到内应力的影响而出现变体选择效应[87,88]，具体变现为：1种或2种位向关系的γ"相变体被择优保留下来，其余位向关系的变体消失。经热-力耦合作用的GH4169合金多晶材料中，多数晶粒内具有[001] γ" //[001] γ 位向关系的γ"相变体会被择优保留，另外2种γ"相变体趋于消失。γ"粗化过程中3种γ"相变体均保持圆盘状，并在各自c轴方向承受较大但无差异的压应力；在温度场和应力场的耦合作用下，与γ基体及周边γ"相间的内应力叠加，导致不同γ"相变体的γ"/γ错配应变发生改变，引起3种γ"相变体的弹性应变能出现差异，从而使弹性应变能相对较低的γ"相变体长大的阻力变低，发生择优粗化；弹性应变能较高的γ"相变体长大受到抑制，会在Gibbs-Thomson效应的作用下逐渐溶解于基体中。作者团队[88]借助英国散裂中子源ISIS的ENGIN-X谱仪，开展了γ"相变体选择行为对合金应力-应变关系的多尺度分析，如图10[88]所示。结果显示，多晶体系下GH4169合金中的<011>取向晶粒会在外力作用下优先发生屈服。γ"相变体选择后的<011>取向晶粒内部，[100] γ" 变体消失，从而导致对移动位错的阻碍作用降低，使得<011>取向晶粒的强度下降，最终导致材料宏观屈服强度的降低。

采用原位中子衍射可以测得高温条件下加载-卸载-再加载过程中不同取向晶粒内部相对应变的变化规律。研究[89]发现在初始蠕变加载过程中逐渐形成的晶间残余应变，会在后续卸载和再加载过程中表现出较明显的滞后性弹性变形，这被称为滞弹性(anelasticity)。同样，晶间应力也会影响循环加载过程中的应力-应变行为。

高温合金盘件在制备过程中形成的残余应力是影响服役性能的关键因素之一[90]。作者团队采用3种不同残余应力的GH4169合金盘件进行了超转破裂和蠕变变形的考核验证，结果显示，与冷却场未控制的盘件相比，残余应力控制降低后，58000 r/min转速下的变形量可降低20.4%，27000 r/min转速下蠕变100 h后的蠕变变形量降低了35%；残余应力优化预置后，58000 r/min转速下的变形量则降低了69%，27000 r/min转速下蠕变100 h后的蠕变变形量降低了57%。为进一步验证高温合金构件内部残余应力对服役性能，特别是低循环疲劳性能的影响，依然采用3种不同残余应力的GH4169合金盘件，进行部件级低周循环疲劳考核验证[91]。实验制度为500℃条件下，上限转速为47500 r/min，停留时间为2 s；下限转速为3150 r/min，不作停留。考虑到裂纹初始扩展速率较慢，2500 cyc循环前每隔500 cyc停机测量裂纹长度，2500 cyc循环后每隔200 cyc停机检测裂纹长度，每次停机后对裂纹进行复型，实验结果如图11b和c[91]所示。残余应力未控制盘件、控制降低以及优化预置盘件的裂纹扩展寿命分别为2827、3160和3497 cyc，差异达23.7%。残留在盘件零件中的残余应力会在后续使用过程中与服役载荷相叠加，改变盘件的实际受力状态，从而对盘件在使役过程中的尺寸稳定性和疲劳等性能都造成明显影响。高数值且分布形式不合理的残余应力会显著降低盘件服役过程中的结构稳定性，具体表现为：超转和蠕变变形量的增加、低周循环疲劳寿命的降低。合理预置并利用残余应力可部分抵消服役状态的外部载荷，从而提高盘件的可靠性和安全性。

无论是在国防军工还是其他基础工业中，构件尺寸精度和使用尺寸稳定性都是衡量制造质量水平高低的重要标志。高温合金作为航空航天、海洋工程、高效能源等高端装备制造所需要的关键材料，其构件的尺寸精度与稳定性是保证装备安全可靠使用的关键。然而，铸、锻、热处理、焊接、机加工以及增材制造等制备过程中形成的残余应力，会对高温合金构件的加工与使用造成重要影响。因此，探明残余应力在高温合金材料制备过程中的演化规律与作用机制，突破其优化控制技术，是解决当前我国高端装备高温合金构件尺寸精度及稳定性共性问题的关键科学基础和技术难点。为此，有必要积极发展高能衍射、轮廓法为代表的深层残余应力测试技术，以及跨尺度残余应力计算技术，揭示不同尺度下残余应力与高温合金显微组织及材料特性的交互作用规律与机制，突破残余应力优化控制共性技术，进而提升高端装备用典型构件的尺寸精度与稳定性。

国外发达国家从20世纪90年代就已开展了高温合金构件残余应力优化控制研究，积累了大量的工程数据和宝贵经验，采用了“研究内应力演化规律→建立应力及应变计算模型→实测应力/应变校对模型→提出解决方案→优化工艺控制”的研究方法，使高温合金构件的加工变形及使用过程中的异常变形问题得到解决。但是公开的研究报道仅限于基础技术和结果总结层面，与计算方法和具体控制工艺相关的报道非常有限。相比之下，我国在相关领域的研究报道多见于航空发动机和燃气轮机热端部件的失效分析，缺乏对高温合金构件残余应力优化控制的系统研究。这需要在设计、制造、使用和维修单位科技人员的通力合作下，开展坚持不懈的系统性研究，加速缩短国内外的差距，以服务于国民经济发展和国防现代化的重大需求。