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镍基高温合金广泛应用于核电、石油化工、舰船和航空航天等领域,具有良好的抗腐蚀、抗疲劳和抗高温等性能。喷丸强化技术是材料表面改性的有效手段之一,通过在材料表层引入残余压应力并改善其微观结构从而提高材料的力学性能。由于镍基高温合金零件通常在高温和高载荷下服役,喷丸层残余压应力和微观组织结构在高温和高载荷下会发生松弛和变化,导致材料的疲劳强度和屈服强度降低,因此研究其松弛行为对零件在服役过充中安全使用的影响意义重大。本文对Inconel 625进行喷丸强化处理,研究了不同喷丸工艺下喷丸层残余应力的分布及其在高温和高载荷条件下的稳定性。同时还研究了喷丸层微观结构的变化规律和高温下的回复再结晶行为,最后结合喷丸层力学性能分析,探讨其喷丸强化机制。喷丸层残余应力分布表明,单次喷丸过程中通过提高喷丸强度可显著增加喷丸层表面残余压应力、次表层最大残余压应力和残余压应力影响层深。钢丸0.65 mmA强度喷丸后表面残余压应力和次表层最大残余压应力分别为-751 MPa和-1086 MPa。钢丸0.45 mmA+陶瓷丸0.2 mmA的复合喷丸工艺优化了喷丸层残余应力分布,表面残余压应力和次表层最大残余压应力分别达到-878 MPa和-1114 MPa。预应力喷丸能够在较低的喷丸强度下达到传统高强度喷丸的残余应力分布,但是其残余压应力影响深度较浅。盲孔逐层钻孔法验证了 X射线衍射法测试喷丸层残余应力的准确性。喷丸层残余压应力高温下松弛行为表明,退火温度和退火时间是影响喷丸层残余应力松弛速率的关键因素,其松弛行为主要发生在退火开始阶段。在500℃、600℃和700℃高温下退火15分钟后,喷丸层表面残余压应力由-878 MPa分别快速下降到-487 MPa、-332 MPa和-178 MPa。退火60分钟后,表面残余压应力分别松弛了 70%、81%和86%。次表层最大残余压应力由-1114MPa分别下降到-756MPa、-700 MPa和-523 MPa,仍保留了较高的残余压应力。通过Zener-Wert-Avrami方程计算出镍基合金Inconel 625热松弛指数m为0.4934,松弛激活焓为1.59 eV。喷丸层表面残余压应力在外加静载荷作用下随着载荷的增加在平行于外加载荷方向上缓慢松弛,当外加静载荷达到材料屈服强度(321 MPa)时,松弛速率明显加快。外加循环载荷作用下残余压应力在前5次循环中发生剧烈松弛,之后逐渐趋于稳定,外加的循环载荷越大稳定的残余应力值越小。在150MPa、250MPa和300 MPa外加循环载荷作用下,残余应力经过30次循环之后分别松弛了 20%,45%和75%。外加载荷为350 MPa时,因为该载荷已超过Inconel 625的屈服强度,经过30次循环之后喷丸层表面残余应力几乎完全松弛。利用X射线衍射线形分析方法研究喷丸层微观组织结构的分布规律,结果表明不同工艺喷丸处理后Inconel 625喷丸层晶块尺寸都明显细化,喷丸后其表面晶块尺寸最小,约为50nm。在深度0～150 μm范围内晶块尺寸都不超过100 nm,在相同深度上复合喷丸层晶块尺寸最小。喷丸层表面的显微畸变含量最高,随深度增加逐渐减小,到达350μm处变化不再明显。预应力喷丸能够在较低喷丸强度下达到传统高强度喷丸层的晶块尺寸和显微畸变含量,但其影响层深较浅。喷丸层微观结构分析还表明Inconel 625在高温退火过程中发生了回复与再结晶行为,随着温度和退火时间的增加其晶块尺寸依次增大,显微畸变含量和位错密度逐渐降低。深度0～200 μm范围内晶块尺寸不超过100 nm,并且仍含有较高的显微畸变和位错密度。计算出复合喷丸后Inconel 625的晶界迁移激活能和显微畸变松弛激活能分别为268 kJ/mol和198 kJ/mol。喷丸有效提高了 Inconel 625的显微硬度和屈服强度。复合喷丸后表面显微硬度为581 HV,较喷丸前198 HV提高了约190%。在高温500℃、600℃和700℃退火2小时后分别为550 HV、514 HV和457 HV。微观组织结构在高温环境下未发生显著变化,组织结构强化是显微硬度在退火后仍保持着较高水平的主要原因。原位拉伸X射线法得出喷丸后表面屈服强度为985 MPa,较喷丸前321 MPa提高了约200%。喷丸产生的残余压应力以及微观组织结构优化是是喷丸层显微硬度和屈服强度提高的主要原因。