多次激光沖擊導(dǎo)致的Ti17合金層裂*

吳俊峰,鄒世坤,張永康,孫桂芳,倪中華,曹子文,車志剛

(1.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189； 2.中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024； 3.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510000)

激光沖擊強(qiáng)化(laser shock peening, LSP)是一種誘導(dǎo)靶材表層深殘余壓應(yīng)力、晶粒細(xì)化和低幅冷加工的先進(jìn)表面處理技術(shù)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于改善金屬材料的抗疲勞、抗腐蝕、抗摩擦磨損和抗外物損傷性能[3-6]。但LSP技術(shù)應(yīng)用于金屬材料改性的同時(shí)，仍存在一些問題，如影響葉片氣動(dòng)性能的粗糙強(qiáng)化表面形貌、LSP薄壁件塑性變形約束擊穿[7]和LSP薄壁件邊緣彎曲變形等，特別是有可能損傷金屬材料，即形成層裂[8-9]。當(dāng)激光沖擊卸載波與靶材背面反射稀疏波相互作用，形成的動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間達(dá)到一定閾值時(shí)，靶材內(nèi)部產(chǎn)生累積損傷斷裂，即層裂[10]。

對(duì)激光沖擊波改性的整體葉盤，層裂損傷將迅速降低整體葉盤的疲勞性能，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命和可靠性。層裂損傷是材料微損傷的累積結(jié)果，與材料特性有關(guān)。避免激光沖擊強(qiáng)化整體葉盤層裂損傷的發(fā)生，需要了解和掌握整體葉盤材料Ti17合金經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的層裂特性以及激光沖擊強(qiáng)化改性的臨界條件，這樣有利于這項(xiàng)技術(shù)更好地應(yīng)用于整體葉盤改性。我們已將LSP技術(shù)應(yīng)用于整體葉盤強(qiáng)化改性，而整體葉盤葉片葉根、葉尖和一彎節(jié)線處為中厚樣品。為更好地實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，需要對(duì)激光沖擊Ti17合金中厚樣品進(jìn)行層裂特性研究。而目前，主要研究的是激光沖擊加載薄片樣品的層裂特性，如：Lescoute等[11]研究激光沖擊鋁、金和鐵薄片(150～300 μm厚)的層裂強(qiáng)度和層裂斷口形貌；Dalton等[12]研究基體微觀組織對(duì)激光沖擊鋁合金(500和200 μm厚)的層裂強(qiáng)度的影響。與薄片樣品層裂相比，中厚樣品的層裂損傷無法從樣品背面進(jìn)行觀察和判別，存在更大的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，中厚樣品的層裂損傷特性研究方法主要為平板沖擊實(shí)驗(yàn)，如：翟少棟[13]采用平板沖擊實(shí)驗(yàn)研究6 mm厚純鋁的層裂行為；Tyler等[14]采用平板沖擊實(shí)驗(yàn)研究6和12 mm厚Ti64的層裂強(qiáng)度和層裂形貌；Boidin等[15]采用平板沖擊實(shí)驗(yàn)研究6～20 mm厚TC4鈦合金的層裂特性。但對(duì)激光沖擊加載Ti17合金中厚樣品的層裂損傷特性研究，卻少有報(bào)道。因此，亟需開展激光沖擊Ti17合金中厚樣品的層裂閾值及層裂特性研究。

本文中，以整體葉盤所用材料Ti17合金為研究對(duì)象，采用葉盤強(qiáng)化工藝參數(shù)對(duì)Ti17合金中厚樣品表面進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)多次激光沖擊，研究不同激光沖擊次數(shù)下Ti17合金的表面形貌和層裂損傷，獲得激光沖擊Ti17合金中厚樣品的層裂閾值、層裂大小和層裂厚度以及層裂機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和LSP實(shí)驗(yàn)

圖1 基體Ti17合金的微觀組織Fig.1 Microstructure of as-received Ti17 alloy

實(shí)驗(yàn)材料為熱處理后的β鍛Ti17合金，一種α+β型雙相網(wǎng)籃組織，如圖1所示。Ti17合金材料的化學(xué)成分為：w(Al)=4.5%～5.5%,w(Sn)=1.6%～2.4%,w(Zr)=1.6%～2.4%,w(Mo)=3.5%～4.5%,w(Cr)=3.5%～4.5%,其余為Ti。熱處理?xiàng)l件為800 ℃/4 h固溶強(qiáng)化和630 ℃ /8 h時(shí)效處理，力學(xué)性能參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度Rm=956.05 MPa，屈服強(qiáng)度Rp0.2=878.24 MPa，延伸率A=18.19%，斷面收縮率Z=53.37%。從β-Ti17合金鍛件，線切割中厚樣品，樣品尺寸50 mm × 50 mm × 5 mm，樣品表面依次進(jìn)行200#、400#、800#、1 000#金相砂紙打磨和丙酮清洗，然后對(duì)中厚樣品表面進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)多次激光沖擊。

采用能量穩(wěn)定且空間均勻分布的Nd:YAG激光器及LSP設(shè)備(見圖2)，對(duì)Ti17合金中厚樣品表面進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)多次激光沖擊。激光沖擊頻率為1 Hz，沖擊次數(shù)為1～8，每次激光沖擊工藝參數(shù)為：脈沖能量30 J，脈寬15 ns，方形光斑尺寸4 mm×4 mm。用光束整形鏡將激光器輸出的圓形光斑轉(zhuǎn)換為輻射在樣品表面的方形光斑。樣品表面粘貼0.12 mm厚鋁箔犧牲介質(zhì)，避免激光沖擊過程中樣品表面燒蝕，噴嘴給樣品表面沖擊區(qū)域提供1～2 mm厚的去離子水簾約束層，提高沖擊波峰值壓力。

圖2 LSP設(shè)備Fig.2 LSP setup

圖3 水浸法C掃描Ti17合金中厚樣品示意圖Fig.3 Schematic diagram of a C-scan examination with water immersion for Ti17 alloy mid-thick sample

1.2 測試方法

采用Veeco wykoNT 1100非接觸三維白光干涉表面輪廓儀，測試激光沖擊中厚樣品表面的三維形貌，儀器測試區(qū)域?yàn)?20 μm×90 μm。每個(gè)光斑強(qiáng)化區(qū)域由5個(gè)測試區(qū)域拼接而成，取平均值。

采用KSI超聲顯微檢測系統(tǒng)和超聲縱波垂直反射法，對(duì)中厚樣品進(jìn)行水浸C掃描超聲波無損檢測，如圖3所示。儀器參數(shù)為：50 MHz水浸聚焦探頭，靈敏度0.8～24 db，掃查成像×500(掃查間距0.1 mm)。

沿中厚樣品沖擊區(qū)域中心線進(jìn)行線切割，獲得沖擊區(qū)域的橫截面，然后依次對(duì)橫截面樣品進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕，最后采用掃描電鏡(SEM)分析橫截面特征形貌。腐蝕液質(zhì)量比為：氫氟酸∶硝酸∶水=1∶2∶7，腐蝕10 s。

2 物理模型

2.1 沖擊波峰值壓力

激光器輸出的高能激光束輻射在靶材表面吸收層上，吸收層迅速熔化、氣化和電離，形成高溫高壓等離子體。等離子體繼續(xù)吸收激光能量產(chǎn)生膨脹，膨脹的等離子體受到水約束層限制，發(fā)生爆炸，形成傳向靶材內(nèi)部的激光沖擊波。激光沖擊波峰值壓力模型為[16]：

(1)

式中：α為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能部分的系數(shù)，取α=0.1[17]。Z為靶材和約束層的聲折合阻抗：

(2)

其中Zwater=0.165×106g·cm-2·s-1，Ztarget=1.8×106g·cm-2·s-1，

因此Z=3.02×105g·cm-2·s-1。

激光功率密度為：

I0=E/(τs)

(3)

式中：E為激光能量，τ為脈寬，s為光斑面積。

2.2 層裂損傷準(zhǔn)則

樣品層裂損傷不是瞬時(shí)的，而是時(shí)間的累積過程。強(qiáng)激光沖擊波加載下，定義一個(gè)與位置r和時(shí)間t有關(guān)的樣品損傷函數(shù)f(r,t)，其中損傷位置r與沖擊波波形相關(guān)，損傷時(shí)間t與沖擊波峰值壓力、沖擊次數(shù)和沖擊波脈寬相關(guān)。單點(diǎn)連續(xù)多次激光沖擊過程中，每次激光沖擊采用的沖擊波峰值壓力、沖擊波脈寬和靶材內(nèi)部沖擊波波形相同，僅激光沖擊次數(shù)不同。因此，當(dāng)某個(gè)位置r的損傷函數(shù)f關(guān)于激光沖擊次數(shù)t(t次沖擊波持續(xù)時(shí)間)的累積達(dá)到閾值Ks時(shí)，層裂形成。滿足層裂損傷閾值的最小激光沖擊次數(shù)t為[18]：

f(r,t)=f[σ(r,t)]=[max(-σ-σR,0)]A

(4)

∑f(r,t)Δt≥Ks

(5)

式中：Ks、σR和A為材料常數(shù)；σR可視為材料動(dòng)態(tài)或靜態(tài)屈服強(qiáng)度；拉應(yīng)力σ=σ(t)。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面形貌

由式(1)～(3)可得，LSP的激光功率密度和激光沖擊波峰值壓力分別為12.5 GW/cm2和3.62 GPa。激光沖擊波峰值壓力大于Ti17合金的動(dòng)態(tài)屈服極限(2.8 GPa[19])，因此Ti17合金表層產(chǎn)生塑性變形。

圖4為不同連續(xù)激光沖擊次數(shù)下Ti17合金中厚樣品的表面形貌。由圖4可知，激光沖擊Ti17合金表面產(chǎn)生方形凹坑，且凹坑中心凸起。單點(diǎn)1～8次連續(xù)激光沖擊Ti17合金的表面凹坑深度分別為7.10、8.87、13.2、20.0、32.9、38.1、40.6和45.3 μm，凹坑深度分別增加24.9%、48.8%、51.5%、64.5%、15.8%、6.6%、11.6%。隨著連續(xù)沖擊次數(shù)增加，凹坑深度逐漸增加趨于飽和，其中單點(diǎn)4次到5次連續(xù)激光沖擊，凹坑深度增加值最大為64.5%。單點(diǎn)1～8次連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品的表面凹坑中心凸起高度分別為6.00、6.87、11.0、18.0、22.1、27.4、30.4和31 μm，凹坑中心凸起高度分別增加14.5%、60.1%、63.6%、22.8%、24.0%、10.9%、2.0%。隨著連續(xù)激光沖擊次數(shù)增加，凹坑中心凸起高度逐漸增加趨于飽和。

圖4 不同連續(xù)激光沖擊次數(shù)下Ti17合金中厚樣品的表面形貌Fig.4 Surface morphology of Ti17 alloy mid-thick sample with different continue LSP shots

3.2 層裂大小

圖5 不同連續(xù)激光沖擊次數(shù)下Ti17合金中厚樣品沖擊區(qū)域的C掃描成像圖Fig.5 C-scan images of shot areas of Ti17 alloy mid-thick sample with different continue LSP shots

不同連續(xù)激光沖擊次數(shù)下Ti17合金中厚樣品沖擊區(qū)域的C掃描成像圖，如圖5所示。由圖5可知，單點(diǎn)1～4次連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品沖擊區(qū)域內(nèi)部無層裂，單點(diǎn)5～8次連續(xù)激光沖擊中厚樣品沖擊區(qū)域內(nèi)部存在層裂，層裂尺寸為1.17 mm×0.84 mm、1.10 mm×0.68 mm、1.62 mm×1.44 mm和1.86 mm×1.68 mm。隨著連續(xù)激光沖擊次數(shù)增加，中厚樣品層裂面積逐漸增大。層裂損傷掃描結(jié)果與激光沖擊Ti17合金中厚樣品的表面形貌(見圖4)相對(duì)應(yīng)，即單點(diǎn)4次到5次連續(xù)激光沖擊中厚樣品的表面凹坑深度增加值最大、單點(diǎn)5次連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品存在層裂相對(duì)應(yīng)。因此，單點(diǎn)連續(xù)5次激光沖擊為Ti17合金中厚樣品的層裂閾值。

3.3 層裂位置

圖6為Ti17合金中厚樣品沖擊區(qū)域中心的橫截面特征形貌。由圖6可知：單點(diǎn)1～4次連續(xù)激光沖擊中厚樣品的橫截面無層裂；單點(diǎn)5～8次連續(xù)激光沖擊中厚樣品橫截面存在層裂，并且單點(diǎn)5、6、7和8次連續(xù)激光沖擊中厚樣品的層裂位置(層裂厚度)分別約為308、280、310和307 μm。

圖7為靶材內(nèi)部層裂形成原理圖。由圖7可知：LSP過程中，靶材表面形成傳向自由面的平面沖擊波C(見圖7(a))；當(dāng)平面沖擊波C傳至靶材自由面時(shí)，平面沖擊波C反射形成傳向靶材表面的平面稀疏波R(見圖7(b))；當(dāng)LSP結(jié)束時(shí)，靶材表面立即形成傳向自由面的平面卸載波U；平面沖擊波C為壓力波，平面卸載波U為拉力波，平面稀疏波R為拉力波，當(dāng)平面卸載波U與平面稀疏波R相互作用，形成一對(duì)反向拉力波時(shí)，作用區(qū)域形成動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力；當(dāng)動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力幅值和持續(xù)時(shí)間達(dá)到一定值時(shí)，平面層裂形成(見圖7(c))。

圖6 Ti17合金中厚樣品沖擊區(qū)域中心的橫截面特征形貌Fig.6 Cross-sectional characterization morphologies at center of LSP areas of Ti17 alloy mid-thick sample

圖7 靶材內(nèi)部層裂形成原理圖Fig.7 Schematic diagram of interior spall formation of target

綜上所述，當(dāng)靶材內(nèi)部動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力幅值和持續(xù)時(shí)間滿足層裂閾值條件時(shí)，靶材內(nèi)形成層裂。動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力幅值與沖擊波峰值壓力、靶材厚度和光斑大小相關(guān)，動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力持續(xù)時(shí)間與激光脈寬和連續(xù)激光沖擊次數(shù)相關(guān)。因此，只有在特定條件下，連續(xù)多次激光沖擊金屬材料才有可能產(chǎn)生層裂。實(shí)際應(yīng)用中，我們采用專利技術(shù)在葉片邊緣背面粘貼吸波層，從而有效地防止了激光沖擊葉片產(chǎn)生層裂現(xiàn)象。

3.4 層裂機(jī)理

圖8為單點(diǎn)7次連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品的層裂形貌，分別有晶界失效、晶內(nèi)失效、微孔洞形核、微孔洞增長和微孔洞匯合。β相基體上富集β穩(wěn)定元素，所以β相的固有強(qiáng)度大于α相，且晶內(nèi)α相強(qiáng)度稍大于晶界α相[20]，導(dǎo)致Ti17合金中厚樣品的層裂微孔洞主要在晶界α相形核(見圖8(c))，也可能在晶內(nèi)α相形核。隨著連續(xù)激光沖擊次數(shù)/動(dòng)態(tài)拉應(yīng)力持續(xù)時(shí)間增加，Ti17合金內(nèi)部的微孔洞增長和匯合(見圖8(d)～(e))，最終形成層裂，層裂失效模式為晶界失效和晶內(nèi)失效(見圖8(a)～(b))。圖8所示的Ti17合金的層裂特性與Boidin等[15]的結(jié)果相似。因此，單點(diǎn)連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品的層裂為晶界失效和晶內(nèi)失效的混合失效模式，但晶界失效模式起主要作用，層裂機(jī)理為韌性微孔洞的形核、增長和匯合。

圖8 單點(diǎn)7次連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品的層裂形貌Fig.8 Spall morphology of Ti17 alloy mid-thickness sample with single spot and successive seven LSP shots

4 結(jié) 論

對(duì)Ti17合金中厚樣品表面進(jìn)行單點(diǎn)連續(xù)多次激光沖擊，獲得方形光斑單點(diǎn)5次連續(xù)激光沖擊為Ti17合金的層裂閾值或改性臨界值。實(shí)際應(yīng)用中，激光沖擊強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)葉片所用的單點(diǎn)連續(xù)激光沖擊次數(shù)沒有超過5次，且采用了防層裂措施，因此不會(huì)產(chǎn)生層裂現(xiàn)象。具體研究結(jié)論如下。

(1)隨著連續(xù)激光沖擊次數(shù)增加，Ti17合金表面凹坑深度和凹坑中心凸起高度逐漸增加并趨于飽和。單點(diǎn)1～8次連續(xù)激光沖擊中厚樣品的表面凹坑深度分別為7.10、8.87、13.2、20.0、32.9、38.1、40.6和45.3 μm。單點(diǎn)1～8次連續(xù)激光沖擊中厚樣品的表面凹坑中心凸起高度分別為6.00、6.87、11.0、18.0、22.1、27.4、30.4和31.0 μm。單點(diǎn)從4次到5次連續(xù)激光沖擊中厚樣品表面凹坑深度增加值最大為64.5%。

(2)單點(diǎn)5次連續(xù)激光沖擊為Ti17合金中厚樣品的層裂閾值，與表面凹坑深度增加值最大相對(duì)應(yīng)。隨著連續(xù)激光沖擊次數(shù)增加，層裂面積逐漸增大。單點(diǎn)5～8次連續(xù)激光沖擊中厚樣品的層裂尺寸分別為1.17 mm×0.84 mm、1.10 mm×0.68 mm、1.62 mm×1.44 mm和1.86 mm×1.68 mm。

(3)單點(diǎn)5～8次連續(xù)激光沖擊Ti17合金中厚樣品的層裂位置(層裂厚度)分別約為308、280、310和307 μm。Ti17合金中厚樣品的層裂機(jī)理為韌性微孔洞形核、增長和匯合，最終形成晶界失效和晶內(nèi)失效的層裂，且晶界失效起主要作用。

本文中，采用方形光斑單點(diǎn)連續(xù)多次激光沖擊技術(shù)，對(duì)Ti17合金中厚樣品進(jìn)行層裂閾值和層裂特性研究，通過超聲波無損檢測技術(shù)檢測出激光沖擊中厚樣品的層裂現(xiàn)象，研究結(jié)果對(duì)激光沖擊強(qiáng)化金屬材料改性工業(yè)應(yīng)用具有重要價(jià)值。但針對(duì)不同厚度Ti17合金樣品，在不同激光工藝參數(shù)下樣品的層裂閾值，以及樣品內(nèi)部的應(yīng)變分布有待進(jìn)一步深入研究?；诩す鉀_擊強(qiáng)化Ti17合金改性臨界值/層裂閾值研究，可建立完善的激光沖擊強(qiáng)化整體葉盤工藝數(shù)據(jù)庫。

感謝中科院力學(xué)所等單位的大力支持和幫助！