強(qiáng)激光沖擊強(qiáng)化對(duì)7075鋁合金的硬度影響

王江濤，陳菊芳

（江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇常州213001）

強(qiáng)激光沖擊強(qiáng)化對(duì)7075鋁合金的硬度影響

王江濤，陳菊芳

（江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇常州213001）

采用GAIAR型Nd:YAG納秒高功率激光器對(duì)7075鋁合金進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化表面處理，借助高分辨透射電鏡（TEM）對(duì)沖擊后的表層進(jìn)行微觀組織觀察，對(duì)沖擊前后的試樣進(jìn)行了拉伸性能和微觀硬度的對(duì)比測(cè)試.研究結(jié)果表明:激光沖擊后7075鋁合金表層微觀硬度提高較大，尤其是4次沖擊后硬度與未沖擊相比提高29.6%，且較為均勻，硬化層的厚度接近1次沖擊的4倍.激光沖擊強(qiáng)化在鋁合金表層誘導(dǎo)的高密度位錯(cuò)和晶粒細(xì)化是硬度提高的主要原因.

激光沖擊；微觀硬度；位錯(cuò)密度；晶粒細(xì)化

金屬材料或零件在經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化之后，在表面形成形變硬化層，改變其表面狀態(tài).材料表面狀態(tài)一般用表面完整性（SI：Surface integrity）來(lái)描述.它主要包括表面顯微硬度、表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度等物理量.它們對(duì)于材料在各種條件下的使用性能有著重要的影響.其中硬度是材料在外力作用下抵抗變形的能力，硬度的變化一直是激光沖擊研究者關(guān)注的重點(diǎn)之一.空軍工程大學(xué)周磊等利用Nd：YAG激光器對(duì)航空鋁合金LY2進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化處理，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)其硬度提高23.5%［1］.北京航空航天大學(xué)朱穎等采用脈沖能量20J的調(diào)Q摻釹玻璃激光對(duì)鈦合金TA15進(jìn)行不同次數(shù)的激光沖擊強(qiáng)化，研究發(fā)現(xiàn)隨著沖擊激光沖擊強(qiáng)化可以有效提高TA15的表面硬度，深度方向硬度由表及里逐漸降低；沖擊次數(shù)增加會(huì)導(dǎo)致表面硬度和影響層的深度逐漸得到提高［2］.中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所朱灝等對(duì)金屬鎢進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理后發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊次數(shù)達(dá)到3次時(shí)，硬度提高15%左右［3］.江蘇大學(xué)任旭東等用激光沖擊QT700后獲得了590 HV的表面硬度，且硬度影響層達(dá)到1 mm［4］.通過(guò)上述研究可以發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化可以提高材料的表層硬度，但是對(duì)于7075鋁合金材料硬度的影響研究鮮見(jiàn)報(bào)道.7075鋁合金是7xxx系鋁合金中較為常用的航空工業(yè)鋁合金，其最大優(yōu)點(diǎn)是比強(qiáng)度高.本文采用GAIAR型Nd：YAG納秒高功率激光器對(duì)7075鋁合金及其焊接件進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，對(duì)沖擊區(qū)的硬度變化和改性機(jī)理進(jìn)行研究.

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)選用板厚為4 mm的7075-T6鋁合金，其化學(xué)成分及其室溫下力學(xué)性能如表1所示.

表1　室溫下7075鋁合金的組分表（wt.%）和力學(xué)性能

1.1激光沖擊強(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的激光器是江蘇大學(xué)的GAIAR型Nd：YAG納秒高功率激光器.參數(shù)如下：脈寬8 ns；波長(zhǎng)1064 nm；光斑直徑2 mm；脈沖能量9 J；沖擊次數(shù)分別選擇1、2、3和4次.為保證沖擊時(shí)試樣表面不被燒傷，用鋁箔作為吸收層.采用1～3 mm厚的均勻流水層做約束層.

1.2性能檢測(cè)

本文硬度測(cè)試采用HRS-150型數(shù)顯電子維氏硬度計(jì)，測(cè)定硬度時(shí)，是以一定的試驗(yàn)力（本研究為1.96 N）將壓頭壓入試件表面，保持一定的時(shí)間（本研究為20s）后卸除試驗(yàn)力，在試樣表面留下一壓痕.根據(jù)試驗(yàn)力F（N）和測(cè)得兩個(gè)壓痕對(duì)角線的算術(shù)平均值d（mm），用公式（1）計(jì)算求得維氏硬度（HV）.

為了觀測(cè)激光沖擊對(duì)鋁合金微觀組織的變化，制備直徑為3 mm的試樣，電解雙噴后用JEM2100型高分辨透射電鏡進(jìn)行測(cè)試，其加速電壓采用200 kV.在萬(wàn)能電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為2 mm/min.每個(gè)測(cè)定值取8個(gè)試樣的平均值，進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的測(cè)試.

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀形貌測(cè)試

未激光沖擊強(qiáng)化和4次沖擊強(qiáng)化后的鋁合金試樣雙噴后用JEM-2100透射電鏡觀察微觀組織的變化，結(jié)果如圖1所示，其中圖1（a）和圖1（b）分別為未沖擊試樣和4次沖擊試樣的明場(chǎng)像.從圖1（a）可以看出未沖擊鋁合金試樣存在較為粗大的β相，而且位錯(cuò)密度較低.激光沖擊強(qiáng)化4次后β相變得細(xì)小而均勻，由于激光誘導(dǎo)的沖擊波在材料的表層誘發(fā)了嚴(yán)重的塑性變形［5-6］，擊碎了粗大的β相晶粒，達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化的效果［7］.同時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化致使晶格滑移，各種位錯(cuò)發(fā)生滑移和糾纏，導(dǎo)致試樣局部位錯(cuò)密度升高，如圖1（b）所示.

圖1　鋁合金的TEM微觀組織形貌

2.2抗拉強(qiáng)度

圖2　不同激光沖擊強(qiáng)化次數(shù)下鋁合金材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

激光沖擊強(qiáng)化前后的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，其中圖2（a）為工程應(yīng)力（E-Stress）和工程應(yīng)變（E-Strain）的曲線圖，圖2（b）為真實(shí)應(yīng)力（E-Stress）和真實(shí)應(yīng)變（E-Strain）的曲線圖.從兩圖中都可以看出4次激光沖擊強(qiáng)化7075鋁合金后彈性模量E、屈服強(qiáng)度σ0.2提高不明顯.但是抗拉強(qiáng)度σb由沖擊前的400 MPa提高到4次沖擊后的550 MPa，提高了37.5%，應(yīng)變率提高接近1倍.這與文獻(xiàn)［8］和［9］激光沖擊不銹鋼以及焊接頭的結(jié)論一致.正如微觀組織觀察的結(jié)果，激光沖擊后鋁合金表層晶粒得到細(xì)化，而晶粒的細(xì)化可以提高材料的工程抗拉強(qiáng)度［10］，且強(qiáng)化機(jī)理遵循Hall-Petch關(guān)系［11］.抗拉強(qiáng)度的提高有助于材料的疲勞性能的提高和壽命的延長(zhǎng).

2.3激光沖擊強(qiáng)化后鋁合金材料的硬度變化

不同次數(shù)下激光單點(diǎn)沖擊強(qiáng)化后鋁合金表面的硬度變化測(cè)試結(jié)果如圖3所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在光斑中心處，隨著激光沖擊次數(shù)的增加，硬度值不斷增加，2次沖擊比1次沖擊的硬度增加4%，3次沖擊比2次沖擊硬度增加2%，4次沖擊比前1次只增加了1%左右.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)隨著激光沖擊次數(shù)的增加，光斑直徑范圍內(nèi)的硬度值趨于均勻分布，尤其是4次沖擊后，硬度與基體相比提高29.6%，且較為均勻.沖擊次數(shù)較少時(shí)不均勻的原因是激光光斑能量分布不均勻所致.當(dāng)次數(shù)增加，彌補(bǔ)了能量不均的缺點(diǎn)，硬化效果開(kāi)始均勻.圖4為沿深度方向激光沖擊強(qiáng)化對(duì)鋁合金硬度影響的測(cè)試結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光沖擊次數(shù)的增加，硬度變化的梯度變小，變化趨于平緩.4次激光沖擊強(qiáng)化對(duì)于硬度的影響層幾乎是單次沖擊的4倍.

圖3　不同沖擊次數(shù)下單點(diǎn)表面微觀硬度分布

圖4　不同沖擊次數(shù)下微觀硬度在深度方向的分布

2.4激光沖擊強(qiáng)化后鋁合金材料硬度變化機(jī)理分析

激光沖擊后位錯(cuò)密度增高，根據(jù)位錯(cuò)密度與材料硬度關(guān)系［12］：

式中，a和b為材料有關(guān)的常數(shù)；為切變模量，由材料的拉伸試驗(yàn)可知材料的彈性模量E基本不變，泊松比υ是與材料有關(guān)的常數(shù)，導(dǎo)致切變模量G基本不變；因此位錯(cuò)密度ρ會(huì)影響激光沖擊后的材料硬度.從2.1的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化后位錯(cuò)密度大大增加，因此鋁合金沖擊后位錯(cuò)密度的提高是導(dǎo)致硬度提高的微觀機(jī)理之一.

同時(shí)文獻(xiàn)［14］提出的鋁合金布氏硬度（HB）與材料的工程抗拉強(qiáng)度σb成正比關(guān)系.通過(guò)最小二乘法的擬合可以估算出HB與σb的關(guān)系如下：

根據(jù)文獻(xiàn)［14］提出的HB和微觀硬度HV之間存在如下關(guān)系：

由式（5）可知，當(dāng)激光沖擊強(qiáng)化誘發(fā)的表面劇烈塑性變形，引起位錯(cuò)糾纏產(chǎn)生亞晶，導(dǎo)致晶粒細(xì)化，材料的抗拉強(qiáng)度提高，材料表層的微觀硬度將會(huì)隨之提高，因此可知晶粒細(xì)化也是微觀硬度提高的又一微觀原因.

3　結(jié)論

（1）激光沖擊強(qiáng)化由于沖擊波誘發(fā)的劇烈塑性變形，導(dǎo)致材料表層晶粒細(xì)化，由于高應(yīng)變率的作用使得材料表層的位錯(cuò)密度升高.

（2）材料表層的微觀硬度提高與材料表層的位錯(cuò)密度升高有直接的關(guān)系，而晶粒細(xì)化能導(dǎo)致7075鋁合金工程斷裂強(qiáng)度提高，根據(jù)其和微觀硬度的關(guān)系可知微觀硬度也隨之提高.

［1］周磊，李啟鵬，薛德志，等.LY2鋁合金的激光沖擊強(qiáng)化區(qū)硬度和殘余應(yīng)力測(cè)試分析［J］.航空精密制造技術(shù)，2010，46（1）：43-45.

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［7］魯金忠，羅開(kāi)玉，馮愛(ài)新，等.激光單次沖擊LY2鋁合金微觀強(qiáng)化機(jī)制研究［J］.中國(guó)激光，2010，37（10）：2662-2666.

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［9］鐘金杉，魯金忠，羅開(kāi)玉，等.激光沖擊對(duì)AISI304不銹鋼拉伸性能和摩擦磨損性能的影響［J］.中國(guó)激光，2013（5）：62-68.

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The Influence of Intensive Lasershock Peening on Microhardness of 7075 Aluminum Alloy

WANG Jiangtao，CHEN Jufang
（School of Materials Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

7075 aluminum alloy was processed by lasershock induced by GAIAR Nd:YAG nanosecond high power laser.Microstructures of them after lasershock peening（LSP）were observed by transmission electron microscopy（TEM）.Tensile properties and microhardness of 7075 aluminum alloy with LSP and without LSP were carried out and compared.The resultsshowed that the effect of LSP on microhardness of 7075 aluminum alloy was fairly useful and obvious.Especially with four times LSP，the microhardness was improved by 29.6%in contrast to thespecimens without LSP，and the distribution of them was more uniform and the thickness of the hardened layer was about 4 times as much as it without LSP.High density dislocation and grain refinement in 7075 aluminum alloy induced by lasershock processing are the main reasons for the increase of microhardness.

lasershock processing（LSP）；microhardness；density of the dislocations；grain refinement

TG174.1

A

1008-2794（2015）04-0034-10

2016-03-11

國(guó)家“863”計(jì)劃子項(xiàng)目“典型產(chǎn)品運(yùn)行安全壽命預(yù)測(cè)技術(shù)研究”（2012AA040104）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞失效相關(guān)性的宏細(xì)觀分析與可靠性建?！保?1275221）、“基于激光加熱的施壓成形機(jī)理和方法研究”（51105182）；江蘇省青藍(lán)工程人才項(xiàng)目；常州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“基于高功率光纖激光熔覆成形的組織與性能研究”（CJ20159051）

王江濤，副教授，博士，研究方向：鋁合金及其焊接件的表面激光強(qiáng)化，E-mail：jxwjt@jsut.edu.cn.