不同沖擊次數(shù)下激光沖擊對TC11鈦合金的影響研究

王學德，聶祥樊，羅思海，李啟鵬，徐大力

(1.空軍工程大學航空航天工程學院等離子體動力學重點實驗室，陜西西安710038;2.河南鄭州94314部隊76分隊，河南鄭州450000)

1 前言

近年來，噴丸和機械研磨等表面處理技術(shù)通過使材料表層發(fā)生塑性變形，從而細化晶粒和產(chǎn)生殘余壓應力，并已經(jīng)被成功并廣泛應用于各種材料和工程構(gòu)件上。激光沖擊強化技術(shù)作為一種新型表面處理技術(shù)［1］，能夠有效改善材料微觀組織和力學性能，尤其是提高材料的抗疲勞、抗腐蝕和抗磨損等性能［2－4］。相比其他表面強化技術(shù)，激光沖擊強化由于自身的無接觸和熱影響區(qū)和良好的可控性而成為表面改性領(lǐng)域的研究熱點。

在激光沖擊強化發(fā)展的近40年間，其中巴黎大學、加州大學、LSPT和MIC公司、悉尼大學等先后分別對 35CD4 30HRC、316L s.s.、Ti－6Al－4V和2024Al等常用金屬進行了基礎性試驗研究，并發(fā)現(xiàn)增加沖擊次數(shù)可以有效增加材料影響深度［5－8］。國內(nèi)北京航空制造研究所和江蘇大學就一般常用的不銹鋼、合金鋼及鋁合金進行了相當?shù)脑囼炑芯浚?－10］，但在航空發(fā)動機上的鈦合金材料方面研究較少，更沒有針對TC11鈦合金的激光沖擊強化應用研究及其不同沖擊次數(shù)的影響進行研究。TC11鈦合金是一種航空飛機上重要的材料，主要應用發(fā)動機的壓氣機葉片和壓氣機盤。但是在實際發(fā)動機工作環(huán)境中，由于受到離心力、熱應力和空氣激振力的復合作用下，TC11鈦合金葉片容易發(fā)生疲勞裂紋和斷裂問題，因此開展激光沖擊TC11鈦合金的基礎性材料試驗研究對TC11鈦合金葉片應用提高其抗疲勞性能具有很大的工程價值。本文通過微觀組織、殘余應力和顯微硬度測試等手段分析了不同沖擊次數(shù)對TC11鈦合金沖擊效果的影響。

2 試驗設計

2.1 激光沖擊強化

圖1為試樣沖擊示意圖，試樣表面覆有吸收保護層和約束層。吸收保護層一般采用鋁箔和黑漆等，用來吸收激光束能量形成高溫高壓等離子體爆轟波和起到防止試樣燒蝕的作用;約束層一般采用水，用來約束爆轟波從而形成一定壓力(幾個GPa)的沖擊波作用材料表面。本試驗中采用的是SGR－25型Nd:YAG激光器，材料處理表面覆蓋的吸收保護層和約束層，分別采用的是0.1 mm厚的鋁箔和1～2mm的水約束層。

圖1 激光沖擊強化示意圖Fig.1 Schematically principle of laser shock peening

試樣在進行激光沖擊強化時固定在一個x－y兩個自由度上的移動平臺上，試樣表面覆有0.1 mm的鋁箔和1～2 mm的水流層。根據(jù)Fabbro的半經(jīng)驗峰值壓力計算公式［11］和Ballard提出的解析最優(yōu)峰值壓力，即 2～2.5倍 Hougniot Elastic Limit(HEL)［12］，試驗采用功率密度為 4.24 GW/cm2的一組參數(shù)，具體為:波長 1064 nm，能量6 J，脈寬20 ns，光斑直徑3 mm，搭接率50%，頻率采用1 HZ;為了討論沖擊次數(shù)的影響，沖擊次數(shù)分別采用了1/3/5次。

2.2 試驗材料和試驗方法

TC11鈦合金是一種綜合性能良好的α+β型熱強鈦合金，在500℃以下有優(yōu)異的熱強性能，并且具有較高室溫強度，主要用于制造航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片、鼓筒等零件。TC11鈦合金化學成分為:Al:5.8 ～7.0，Mo:2.8 ～3.8，Zr:0.8 ～2.0，Si:0.2 ～ 0.35，F(xiàn)e:0.25，Ti:Bal。熱處理制度雙重退火:950～980℃，1 ～2h，空冷;530℃，6h，空冷;其室溫拉伸性能:σb=1030 MPa、σ0.2=930 MPa、ψ =30%、δ5=9%。試驗選用30 mm×40 mm×4 mm的板狀材料，材料是按照TC6鈦合金葉片實際熱處理工藝進行的熱處理，對中心20 mm×25 mm區(qū)域進行激光沖擊強化處理，如圖2所示。

圖2 試樣和沖擊區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic of test sample and LSP region

試樣沖擊后通過TEM－3010型透射電子顯微鏡觀察材料顯微組織;試樣表層殘余應力測試是采用Proto－LXRD型X射線應力測試儀，測量方法采用側(cè)傾固定 Ψ 法;輻射為 Cu－kα，衍射晶面 Ti{213}晶面，2θ 角掃描136.1°－145.3°，掃描步距為0.02°，每5秒一步;X光管高壓和電流分別為40 KV和6 mA;準直管直徑Φ=2 mm。測量截面殘余應力分布時需要通過電解拋光(腐蝕溶液為:HNO324%+HF14%+H2O62%(體積比)，腐蝕速率:1 cm2面積0.2～0.5 μm/s)逐層減薄后再進行測試。并根據(jù)國家標準GB/T4340.1－1999規(guī)定，采用MVS－1000 JMT2型顯微維氏硬度計測量表層硬度，測量載荷為500g，保壓時間10 s，測量3～5個點取平均值。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 微觀組織

圖3為TC11鈦合金原始試樣和在不同沖擊次數(shù)下激光沖擊后試樣的電子透射電鏡圖及其衍射花樣。從圖3(a)中可以看出TC11原始組織是由等軸狀的α相和針狀的β相組成的雙相組織，且呈現(xiàn)出清晰的相界和尺寸較大的相。圖3(b)、(c)、(d)分別是激光沖擊1、3、5次后的微觀組織，并且呈現(xiàn)不同的微觀特征。圖3(b)中存在大量的高密度位錯和亞晶結(jié)構(gòu);圖3(c)和(d)中則出現(xiàn)了納米晶組織，沖擊三次晶粒尺寸為40～80 nm，沖擊5次繼續(xù)細化到30 nm左右。說明實現(xiàn)晶粒的納米級細化只需要三次沖擊即可;隨著沖擊次數(shù)的增加，結(jié)合衍射花樣可知，5次沖擊比沖擊3次的納米晶更加細小均勻。

圖3 不同沖擊次數(shù)下表面透射電鏡圖和衍射花樣(a)未沖擊(b)1次(c)3次(d)5次Fig.3 TEM photographs and diffraction patterns of the surface layer of the titanium alloy samples with different LSP impacts(a)Without LSP(b)1 impact(c)3 impacts(d)5 impacts

激光沖擊強化作為一種通過塑性變形對材料進行表面改性的技術(shù)，其表面的細化機制和傳統(tǒng)的噴丸和機械研磨等［13－14］劇烈塑變方法有所相似，但也存在很大不同。激光沖擊強化是通過激光等離子體沖擊波向材料內(nèi)部傳播，引起快速的超高應變率的塑性變形，根據(jù) M.A.Meyers’［15］位錯等微觀缺陷一般在沖擊波波陣面上形成。當沖擊波向內(nèi)傳播時，受到多晶材料的晶界的反射和透射作用，類似單軸的沖擊波在內(nèi)部演變成多方向上的應力波。大量高密度位錯在各方向上沖擊波的驅(qū)動作用下，位錯發(fā)生滑移、重排和湮滅，形成新的亞晶界和晶界。沖擊一次時產(chǎn)生大量高密度位錯和沖擊多次后納米晶的產(chǎn)生，與Clauer、Zhang、Peyre 和 Lu 等人［16－19］在其他典型材料上的沖擊強化結(jié)果達到了一定的一致性，說明激光沖擊強化技術(shù)對于TC11鈦合金同樣可以實現(xiàn)表面納米化，且沖擊次數(shù)的增加有利于進一步細化晶粒和增大晶粒間的取向差。

3.2 殘余應力

圖4為TC11鈦合金分別在1、3、5次沖擊后的截面殘余應力分布曲線，說明激光沖擊強化能夠在TC11鈦合金表層產(chǎn)生較大的殘余壓應力。沖擊后，最大殘余應力位于材料表面;在1、3、5次后表面殘余應力值分別為 －541.6 MPa、－589.2 MPa和 －610.3 MPa;其相應的塑性變形層深度(L1，L2，L3)分別為 600 μm、1080 μm 和 1250 μm。殘余應力分布規(guī)律說明多次沖擊可以進一步有效提高塑性變形層深度，但對于表面最大殘余應力值的提高幅度很有限，這與Clauer et al多次沖擊0.55%碳鋼的結(jié)果相似［20］。

圖4 不同沖擊次數(shù)下殘余應力截面分布Fig.4 Residual stress in cross section with different LSP impacts

由于激光誘導的沖擊波在材料中傳播過程中的衰減(沖擊波能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄阅堋⒆枘嵯牡?，致使深度上沖擊波的壓力也在衰減，在材料內(nèi)部沖擊波作用使其發(fā)生塑性變形的能力逐漸減小，塑性變形量降低，產(chǎn)生的殘余應力也隨之降低，所以殘余壓應力在截面上的值呈下降趨勢。但在多次沖擊過程中，受到上次沖擊的晶粒細化和加工硬化影響，屈服強度得到提高，沖擊波在塑性變形區(qū)再次傳播發(fā)生塑性變形更加困難，因此沖擊波在衰減較少的情況繼續(xù)向更深的內(nèi)部傳播，從而有效地提高了材料塑性變形層深度。

3.3 顯微硬度

硬度是材料的一種基本機械性能，是材料抗耐磨性的重要性能指標，也是體現(xiàn)激光沖擊的加工硬化程度的指標。圖5為不同沖擊次數(shù)下顯微硬度截面分布曲線，發(fā)現(xiàn)最大硬度位于材料表面;沖擊一次時，表面顯微硬度由原始的351 HV0.5提高到416 HV0.5，幅度為18.5%;沖擊5次后，提高到了424 HV0.5，幅度達到 21%。沖擊 1、3、5次后，其硬度影響深度分別為 600 μm、1000 μm、1200 μm。多次沖擊后發(fā)現(xiàn)顯微硬度和殘余應力分布具有相似的分布趨勢和規(guī)律，多次沖擊進一步提高表面最大硬度值很少，但可以較大幅度地提高相應影響層深度。

圖5 不同沖擊次數(shù)下顯微硬度截面分布Fig.5 Microhardness in cross section with different LSP impacts

硬度的提高主要是因為激光沖擊后表層加工硬化和晶粒細化造成的。一方面，由位錯強化理論可知，激光沖擊處理材料表面在塑性變形過程中位錯發(fā)生運動，引起大量位錯交割和增殖，并且增加空位、間隙原子、層錯等結(jié)構(gòu)缺陷，從而阻礙位錯的進一步運動，引起加工硬化。另一方面，由 Hall－Petch公式可知材料的屈服強度σs與晶粒直徑成正比，即晶粒尺寸的降低，材料的強度和硬度都會得到相應的提高。而根據(jù)3.1的透射電鏡分析，隨著沖擊次數(shù)的增加，材料表面位錯密度的增加和晶粒尺寸的減小，所以表面硬度呈現(xiàn)出隨著沖擊次數(shù)的增加而增加的趨勢。

4 結(jié)論

通過觀察微觀組織和測試表層殘余應力和顯微硬度分析激光沖擊強化在不同沖擊次數(shù)下對TC11鈦合金組織和性能上的影響。隨著沖擊次數(shù)增加，位錯在多次沖擊波的作用下，發(fā)生滑移，重排和湮滅，先后呈現(xiàn)出高密度位錯、亞晶和納米晶的微觀特征;表面形成－500 MPa以上的殘余應力，且隨著次數(shù)增加，塑性變性深度由0.6 mm增至1.25 mm;顯微硬度在一次沖擊后即提高了18.5%，硬度影響深度在 1、3 和 5 次 后 分 別 為 600 μm、1000 μm和1200 μm。

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