奧氏體不銹鋼表面的激光沖擊強(qiáng)化

段水旺，曾鵬*，崔文輝，梁亦佳，黃星朗

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006）

激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是近年來出現(xiàn)的一種新型表面處理技術(shù)，它通過激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波在材料表面引起塑性變形，殘留較大的殘余壓應(yīng)力，并且使表層形成高密度位錯(cuò)，細(xì)化晶粒甚至達(dá)到納米級(jí)，從而顯著提高材料的抗疲勞、耐磨損、抗應(yīng)力腐蝕等性能[1-2]。奧氏體不銹鋼的塑性好，但是強(qiáng)度較低，通常采取滲氮、表面鍍覆、機(jī)械噴丸等方法強(qiáng)化其表面[3-4]。奧氏體不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms較低，在高能激光沖擊作用下表面會(huì)產(chǎn)生一定量的塑性變形，并誘發(fā)馬氏體相變，而且它本身的層錯(cuò)能較低，還會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，從而產(chǎn)生一定程度的加工硬化效應(yīng)[5]。本文采用不同功率密度的激光沖擊奧氏體不銹鋼表面，觀察并分析其表面的組織結(jié)構(gòu)和硬度，并對(duì)形變誘發(fā)的馬氏體轉(zhuǎn)變的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量分析，從而尋求強(qiáng)化奧氏體不銹鋼表面的方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

選用17mm×15mm×2mm的深入冷軋的304奧氏體不銹鋼板材，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C0.080%，Mn0.920%，Si0.460%，P0.003%，S0.030%，Ni8.650%，Cr17.790%。試樣在 1050°C 下固溶30min后水淬冷卻，以獲得較均勻穩(wěn)定的奧氏體組織。

1.2 工藝方法

采用的激光沖擊設(shè)備為武漢華工激光工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LMY500多功能固體激光器，其波長(zhǎng)為1064nm，脈沖寬度小于等于20ns，使用高重復(fù)率的摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)晶體材料，激光光斑直徑為2mm。激光沖擊前，對(duì)試樣進(jìn)行研磨拋光，并在表面覆蓋50μm鋁箔作為能量吸收層，以及一層厚度為2mm的K9玻璃作為沖擊約束層，如圖1所示。激光處理后，用丙酮清洗試樣表面。如圖2所示，以平行往復(fù)、層疊推進(jìn)的行進(jìn)方式來實(shí)施激光沖擊，搭接率為50%，光斑移動(dòng)速率恒定，以獲得在試樣厚度方向上均勻的沖擊硬化層。影響激光功率密度的參數(shù)主要有光斑直徑、脈沖電流、頻率、激光脈寬、光斑移動(dòng)速率、板料的力學(xué)性能、約束層和吸收層的厚度等。通過調(diào)整以上工藝參數(shù)來控制激光功率密度范圍為1.0～4.5GW/cm2，在不同的功率密度條件下對(duì)304奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行沖擊。

圖1 激光沖擊材料表面的示意圖Figure 1 Schematic diagram of laser shock peening on material surface

圖2 激光沖擊路線Figure 2 Route of the laser shock peening

1.3 測(cè)試方法

先用棉簽將王水均勻涂抹在試樣表面，腐蝕15s后用清水沖洗并吹干，然后用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的表面微觀形貌。采用日本理學(xué)D/MAX-Ultima型X射線衍射儀(XRD)測(cè)定不銹鋼表面的物相，Cu靶，Kα1 射線，波長(zhǎng) 0.154056nm，電壓 40kV，電流 40mA，掃描速率 8°/min，步長(zhǎng) 0.01°。采用 HV1000 型數(shù)字顯微硬度儀測(cè)試試樣表面經(jīng)激光沖擊后沿深度方向的硬度分布，通過多次測(cè)量取平均值，載荷25g，加載時(shí)間為 8s。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率密度對(duì)奧氏體不銹鋼表面形貌的影響

未經(jīng)過任何處理的304奧氏體不銹鋼的組織中含有一定量的生長(zhǎng)孿晶(見圖3a)。采用2.5GW/cm2激光功率密度對(duì)304奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行沖擊后，沖擊波導(dǎo)致奧氏體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了較多數(shù)量的晶體滑移變形的痕跡，在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了平行滑移帶的特征，同時(shí)在應(yīng)變形成的剪切帶、剪切帶的交匯處和孿晶界等處都是馬氏體相變的優(yōu)先形核地點(diǎn)，部分晶粒相變?yōu)轳R氏體(見圖3b)。雖然在金相中對(duì)馬氏體相的觀測(cè)存在一定的難度，但根據(jù)文獻(xiàn)[6]，可以認(rèn)為黑色多邊形塊狀組織為馬氏體相。隨激光功率密度增加，晶粒內(nèi)部塑性變形也越嚴(yán)重，被4.0GW/cm2的激光沖擊后，晶粒內(nèi)部變形最明顯(見圖3c)，出現(xiàn)較多的密集排列的平行線，而且在500的放大倍率下可以清楚地看見圖3c中白圈區(qū)域內(nèi)大范圍地出現(xiàn)了平行線條，且每個(gè)晶粒內(nèi)部的線條方向并不一致(見圖3d)。這是由于在激光沖擊波的作用下，每個(gè)晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)在各自晶粒內(nèi)的滑移系下進(jìn)行滑移，因而形成滑移線，眾多的滑移線形成了滑移帶。高功率激光沖擊致使材料表面產(chǎn)生了高速應(yīng)變，縮短了材料沖擊區(qū)塑性變形的時(shí)間，并導(dǎo)致晶粒內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，變形抗力增大，從而產(chǎn)生了表面的加工硬化效應(yīng)。但當(dāng)功率密度大于4.5GW/cm2時(shí)，在奧氏體不銹鋼表面出現(xiàn)了一定的燒蝕現(xiàn)象。

圖3 304奧氏體不銹鋼經(jīng)不同功率密度的激光沖擊后的顯微組織Figure 3 Microstructures of 304 austenitic stainless steel after being treated by laser shock peening at different power densities

2.2 激光沖擊對(duì)奧氏體不銹鋼組織的影響

從圖 4可知，未經(jīng)過激光沖擊的試樣以奧氏體相(A)居多，僅有少量受加工過程中的變形影響而產(chǎn)生的馬氏體(M)。經(jīng)過不同功率密度的激光沖擊后，不銹鋼中奧氏體峰強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)激光功率密度增至2.0GW/cm2時(shí)，出現(xiàn)了2個(gè)馬氏體的衍射峰──M(200)和M(211)，表明此時(shí)開始了由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。這2個(gè)峰的相對(duì)強(qiáng)度隨著激光功率密度的增大而增大，表明馬氏體的體積分?jǐn)?shù)隨之增多。304奧氏體不銹鋼在高于馬氏體自發(fā)轉(zhuǎn)變溫度Ms，低于兩相自由能平衡點(diǎn)溫度T0的溫度范圍內(nèi)，在激光沖擊下發(fā)生表面塑性變形時(shí)，機(jī)械能將補(bǔ)償部分馬氏體轉(zhuǎn)變所需要的形核驅(qū)動(dòng)力，從而誘發(fā)馬氏體組織的形成。在1.0～4.0GW/cm2范圍內(nèi)，激光功率密度越大，外加驅(qū)動(dòng)力越大，塑性變形程度越大，馬氏體轉(zhuǎn)變量越大。

圖4 不同功率密度下激光沖擊強(qiáng)化304奧氏體不銹鋼表面的XRD譜圖Figure 4 XRD patterns of 304 austenitic stainless steel surface after laser shock peening at different power densities

2.3 激光沖擊誘發(fā)馬氏體的體積分?jǐn)?shù)

由公式(1)可以計(jì)算出在自由取向晶粒中參與衍射各相晶面的綜合衍射強(qiáng)度Ihkl[7-8]。然后通過直接比較法，由式(2)和式(3)確定馬氏體相的體積分?jǐn)?shù)VM。

其中iV是i相的體積分?jǐn)?shù)，儀器系數(shù)K取決于X射線衍射儀的參數(shù)，每組試樣的線性吸收系數(shù)μ根據(jù)試樣具體條件來計(jì)算；為材料的散射系數(shù)，主要取決于角因數(shù)結(jié)構(gòu)因數(shù)Fhkl、多重因數(shù)p、單位晶胞體積v和溫度因數(shù)e?2M；n表示衍射峰的數(shù)量。以上數(shù)據(jù)可以通過查表[9]以及譜線精修擬合分別加權(quán)計(jì)算得到。

在用不同的激光功率密度處理304奧氏體不銹鋼后，產(chǎn)生的馬氏體的體積分?jǐn)?shù)如圖5所示?？梢姰?dāng)激光功率密度從1.0GW/cm2增大到4.5GW/cm2時(shí)，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)也快速增加。當(dāng)激光功率密度為4.0～4.5GW/cm2之間時(shí)，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，但實(shí)際上奧氏體不銹鋼表面已經(jīng)出現(xiàn)一定的燒蝕現(xiàn)象，因此不再考慮繼續(xù)增大功率密度。

2.4 激光沖擊奧氏體不銹鋼表面硬度的變化

從圖6可知，當(dāng)功率密度為4.0GW/cm2時(shí)，奧氏體不銹鋼表面的顯微硬度超過200HV，距離表面80μm處的沖擊硬化層的硬度達(dá)180HV，其后逐漸緩降，激光沖擊的影響區(qū)深達(dá)110μm以上(見圖7)。激光沖擊試樣表面導(dǎo)致硬度升高，其主要原因是高速應(yīng)變使表面發(fā)生劇烈的塑性變形，從而誘發(fā)馬氏體相變和加工硬化，導(dǎo)致表層微觀形貌和性能均發(fā)生了變化。另外，試樣表面在激光沖擊時(shí)可能會(huì)被熔化或者能量約束層被熔融在試樣表面，導(dǎo)致試樣的次表面硬度最高，這種變化沿著表層逐步向內(nèi)部擴(kuò)展。隨著激光功率密度增大，位錯(cuò)、孿晶和塑性變形會(huì)增加，誘發(fā)形成的馬氏體就增多，同時(shí)引起的加工硬化也更強(qiáng)。

圖5 以不同功率密度的激光沖擊304奧氏體不銹鋼后表面誘發(fā)的馬氏體的體積分?jǐn)?shù)Figure 5 Volume fractions of martensite formed on the surface of 304 austenitic stainless steel after laser shock peening at different power densities

圖6 以不同功率密度的激光沖擊后304奧氏體不銹鋼厚度方向的顯微硬度分布Figure 6 Microhardness distribution along thickness direction for 304 austenitic stainless steel treated by laser shock peening at different power densities

圖7 采用4.0 GW/cm2功率密度的激光沖擊后304奧氏體不銹鋼的截面形貌Figure 7 Cross-sectional micro-morphology of 304 stainless steel after laser shock peening at a power density of 4.0 GW/cm2

3 結(jié)論

用功率密度為1.0～4.5GW/cm2的激光沖擊304奧氏體不銹鋼表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的表面強(qiáng)化作用。4.0GW/cm2功率密度的激光沖擊使奧氏體不銹鋼基體的顯微硬度從160HV提高到214HV，硬化層深度達(dá)到80μm。激光沖擊作用不僅可以使奧氏體不銹鋼晶粒內(nèi)部出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)，而且可以誘發(fā)表面的馬氏體轉(zhuǎn)變。隨激光功率密度增加，馬氏體的含量增加，表面強(qiáng)化程度隨之增強(qiáng)。