激光沖擊強化在高溫合金材料應(yīng)用上的研究進展

盧國鑫，金 濤，周亦胄，趙吉賓，劉紀(jì)德，喬紅超，孫曉峰

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激光沖擊強化在高溫合金材料應(yīng)用上的研究進展

盧國鑫1, 2，金 濤1，周亦胄1，趙吉賓3，劉紀(jì)德1，喬紅超3，孫曉峰1

(1. 中國科學(xué)院金屬研究所 高溫合金研究部，沈陽 110016； 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 510006； 3. 中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 裝備制造技術(shù)研究室，沈陽 110179)

激光沖擊處理可促使材料產(chǎn)生較傳統(tǒng)表面強化工藝更優(yōu)的強化效果，并且誘發(fā)的顯微組織變化具有更高的熱穩(wěn)定性，有望對高溫合金材料的服役性能提升產(chǎn)生有利作用。分別從表面形貌、顯微組織、服役性能等方面介紹激光沖擊強化在不同高溫合金材料上的應(yīng)用研究成果。通過激光沖擊誘導(dǎo)高溫合金微尺度表面形貌變化相關(guān)研究的分析，提出對激光沖擊誘導(dǎo)局部反向變形進行數(shù)值仿真驗證的研究方向?？偨Y(jié)激光沖擊強化在改善高溫合金組織狀態(tài)以及提升疲勞等服役性能方面的研究成果，進而指明單晶高溫合金激光沖擊疲勞延壽研究的必要性。

激光沖擊強化；高溫合金；表面形貌；組織；性能

表面強化處理可以有效地提高材料使役壽命，已經(jīng)成為航空發(fā)動機各關(guān)鍵零部件的必要加工手段[1]。激光沖擊強化技術(shù)(Laser shock processing or laser shock peening，LSP)是目前最有效的金屬材料表面強化工藝之一，獨特的加工方式使其更適用于壁薄且型面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動機熱端部件的主要材料為高溫合金(Superalloy)，隨著發(fā)動機引擎性能的提升，高溫合金的服役性能面臨更苛刻的要求[2?3]。研究激光沖擊強化技術(shù)對高溫合金表面形貌以及組織與性能的影響對于其應(yīng)用推廣具有十分重要的意義。

1 激光沖擊強化技術(shù)概況

表面強化以表面彈塑性變形的方式引入材料內(nèi)部殘余壓應(yīng)力和產(chǎn)生顯微組織結(jié)構(gòu)變化，從而顯著提高材料疲勞抗力，增強零件的可靠性和耐久性[4?5]。激光沖擊強化是一種利用強激光誘導(dǎo)的沖擊波來強化金屬的表面強化技術(shù)，能夠大幅度改善金屬材料的服役性能。與傳統(tǒng)表面強化工藝技術(shù)相比[4, 6]，激光沖擊處理除了帶來更優(yōu)的表面強化效果，其非接觸強化的特點，更可以顯著降低表面強烈塑性變形所導(dǎo)致的粗糙度變化。激光沖擊強化為表面強化工藝技術(shù)提供了寬廣的選擇余地。

1.1 激光沖擊強化的發(fā)展歷程

激光沖擊強化技術(shù)始于20世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家在1963年首先發(fā)現(xiàn)脈沖激光可以產(chǎn)生強沖擊波，使材料表面產(chǎn)生塑性變形[7]。在半個多世紀(jì)的發(fā)展歷程中，多個國家和地區(qū)的研究者對激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展做出努力，其中FABBRO等[8?9]的研究最為突出。1987年以來，F(xiàn)ABBRO等[8?9]在法國汽車工業(yè)的支持下對激光沖擊強化技術(shù)進行了系統(tǒng)性的研究，探索了激光誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波的機理和模型以及激光沖擊后材料性能的變化等。

美國在激光沖擊強化技術(shù)的發(fā)展上進行過大量研究，陸續(xù)有巴特爾學(xué)院(Battelle Memorial Institute)[10]、勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)、通用電氣公司(General Electric Company，GE)、MIC公司(Metal Improvement Company)和LSPT公司(LSP Technologies, Inc.)[11?12]等機構(gòu)開展過激光沖擊強化方面的理論與應(yīng)用研究，使激光沖擊強化技術(shù)獲得較大發(fā)展。從公開報道的資料看，目前只有美國將激光沖擊強化技術(shù)進行了較廣泛的實際應(yīng)用。

我國對激光沖擊強化技術(shù)的關(guān)注始于20世紀(jì)90年代。相繼開展研究的單位主要有南京航空航天大 學(xué)[13]、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)[14]、江蘇大學(xué)[15]、北京航空制造工程研究所[2]、空軍工程大學(xué)等[16]。2011年，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了航空發(fā)動機整體葉盤激光沖擊強化系統(tǒng)，提高4~6倍以上的葉盤服役壽命，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益和社會效益[17?18]。2017年，廣東工業(yè)大學(xué)引進世界最先進的Procudo?200第三代激光沖擊系統(tǒng)(見圖1)，可實現(xiàn)包括強化處理的多種激光沖擊工藝要求，打開了國內(nèi)激光沖擊強化技術(shù)應(yīng)用與設(shè)備開發(fā)的新局面。

圖1 Procudo?200激光沖擊系統(tǒng)外觀

激光沖擊強化在不同金屬材料上的應(yīng)用方面，以往研究者大多針對鋁合金[19]、鈦合金[20]、碳鋼及合金鋼[21?22]等，大量研究結(jié)果證實了激光沖擊處理對材料服役性能的積極作用。高溫合金，尤其是單晶高溫合金在激光沖擊強化處理后的表面完整性以及服役性能表現(xiàn)的有關(guān)研究相對匱乏。

1.2 激光沖擊強化的基本原理

激光沖擊強化技術(shù)的原理如圖2所示。當(dāng)高峰值功率密度(GW/cm2級)、短脈沖(ns級)的激光作用于金屬表面的能量吸收(涂)層時，涂層吸收激光能量，造成靶材溫度升高，涂層內(nèi)的蒸汽粒子發(fā)生爆炸性汽化，并幾乎同時形成大量稠密的高溫(＞104K)、高壓(＞1 GPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量便急劇升溫膨脹，最后爆炸形成高壓沖擊波(GPa級)作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播。

激光沖擊處理是一個復(fù)雜的加工過程，涉及到物理學(xué)、力學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科。激光沖擊處理過程中，激光束透過約束層輻射于吸收(涂)層，光能經(jīng)能量轉(zhuǎn)變成為沖擊動能，導(dǎo)致靶材發(fā)生塑性形變。因此，激光自身的工藝參數(shù)、約束層(Confining layer)、吸收層(Absorbing layer)及靶材基體特性等均會影響激光沖擊強化的效果[24]。

圖2 激光沖擊強化過程原理圖[23]

與傳統(tǒng)表面強化工藝技術(shù)一致，激光沖擊強化也通過表面強烈塑性變形(Severe plastic deformation，SPD)的方式來實現(xiàn)強化目的。在塑性變形過程中，工件表面形態(tài)改變[25]，一定深度的殘余壓應(yīng)力層被引入材料內(nèi)部[20]，金屬或合金的顯微組織發(fā)生變化[22, 26]。激光沖擊強化處理后材料的服役性能是上述變化的集中反映。在激光沖擊強化的應(yīng)用研究中，研究者主要從材料表面形貌、顯微組織以及服役性能等方面對其強化效果進行表征。

2 激光沖擊強化在高溫合金上的 應(yīng)用

高溫合金是以鐵、鎳、鈷等為基體的一類高溫結(jié)構(gòu)材料，具有工作溫度高、組織穩(wěn)定、有害相少、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)異性能[27]，較廣泛地應(yīng)用于航空發(fā)動機葉片等熱端部件[28]。為保障航空發(fā)動機的引擎性能提升，高溫合金的服役性能面臨更苛刻的要求。惡劣的服役環(huán)境考驗合金表面性能，且零件表面由于機加工往往具有殘余拉應(yīng)力、高表面粗糙度等不利因素，因此，合金的表面處理工作對延長合金使用壽命顯得尤為重要。激光沖擊可以在保持材料較好表面質(zhì)量的情況下誘導(dǎo)更深的表面強化層，并且適用于難加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對葉片用高溫合金材料進行激光沖擊強化技術(shù)的相關(guān)理論與應(yīng)用研究具有明確的工程應(yīng)用背景。

2.1 激光沖擊誘導(dǎo)高溫合金材料的表面形貌演變

表面形貌結(jié)構(gòu)對疲勞等服役性能的影響很大，材料表面質(zhì)量的優(yōu)劣一般通過表面粗糙度的變化來表征[29]。大的表面粗糙度在一定程度上代表了較大數(shù)目的表面應(yīng)力集中點，它顯著降低材料的服役性能。

激光沖擊以表面強烈塑性變形的方式達到強化材料的目的，其必定會引起材料表面狀態(tài)的改變[25]。GILL等[30]對鎳基高溫合金IN718 SPF進行激光沖擊強化處理，并用光學(xué)干涉儀測試沖擊表面的高度起伏。激光沖擊處理前后材料的表面輪廓如圖3所示，表面粗糙度由初始的120 nm提高到4.18 μm，直接反映了合金表面的強烈塑性變形。

大量研究表明：激光沖擊處理在保持材料表面質(zhì)量方面相比傳統(tǒng)的表面強化工藝具有明顯優(yōu)勢，對靶材表面較大尺度的形貌變化影響相對較小。已有的對激光沖擊誘導(dǎo)高溫合金材料表面形貌演變的研究大多停留在較宏觀的水平[31]。目前，鮮見報道在更微觀尺度觀察材料在激光沖擊作用下的形貌漸變。

采用白光干涉儀觀察激光沖擊處理后一種鎳基單晶高溫合金的宏觀及微觀表面形貌演變[32?33]。單點激光沖擊導(dǎo)致靶材表面形成圓形凹坑，且多次沖擊使圓坑尺寸增加，對應(yīng)了更高強度的塑性變形。一種表面浮凸(Surface reliefs)結(jié)構(gòu)成為激光沖擊后實驗合金微觀形貌的最主要特征(見圖4(a))，其數(shù)量、尺寸隨沖擊次數(shù)增加而增加。

針對激光沖擊下高溫合金試樣表面出現(xiàn)浮凸結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，選取不同類型金屬材料實施激光沖擊處理，并分析不同金屬材料靶材在激光沖擊處理后的微觀三維形貌特征，均可發(fā)現(xiàn)激光沖擊誘導(dǎo)的浮凸結(jié)構(gòu)[23]。表面浮凸是金屬材料表面在非接觸型塑性變形過程中發(fā)生自由(半約束)塑性流動的典型形貌體現(xiàn)，表征了一種獨特的局部微尺度反向變形現(xiàn)象(見圖4(b))。

另外，一種實驗變形高溫合金在激光沖擊處理后的微觀表面形貌演變結(jié)果顯示，晶界的高強度使其具備較晶內(nèi)更強的抗變形能力，并且激光沖擊還可導(dǎo)致材料表面形成破壞性凹坑(見圖5)[34]。

圖3 激光沖擊處理前后的IN718 SPF合金表面形貌[30]

2.2 激光沖擊強化后高溫合金材料的顯微組織

最近，研究者們針對噴丸這種傳統(tǒng)的表面強化工藝，提出以表面強烈塑性變形誘發(fā)材料顯微組織改變?yōu)橹饕憩F(xiàn)形式的“顯微組織結(jié)構(gòu)強化機制”[35?36]，并試驗證實顯微組織變化在提高金屬材料切斷型模式疲勞斷裂抗力方面的顯著作用。研究經(jīng)激光沖擊等表面強化工藝處理后材料的顯微組織變化對更好地選擇工藝參數(shù)以獲取更優(yōu)服役性能具有重要意義。

圖4 表面浮凸結(jié)構(gòu)[32?33]及其形成機制示意圖[23]

圖5 激光沖擊處理誘導(dǎo)變形高溫合金圓坑底部的凸起晶界與破壞性凹坑[34]

在激光沖擊強化過程中，等離子體的高壓沖擊可使材料表面的應(yīng)變率達到1×107s?1以上。在超高的應(yīng)變率下，材料表層位錯密度增加，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，形成多種強化的亞細結(jié)構(gòu)，從而提高表面強化層的失效抗力。GH4133鎳基高溫合金基體組織由較大等軸晶組成(見圖6(a))，激光沖擊處理通過強烈塑性變形的方式可引入合金內(nèi)部大量細化的晶粒和孿晶組織(見圖6(b))[37]。K417鎳基高溫合金經(jīng)激光沖擊強化處理后，形成熱穩(wěn)定性較好的表面納米晶層(見圖7)，起到明顯的疲勞延壽作用[38]。

單晶高溫合金具有高的抗塑性變形能力，是重要的航空發(fā)動機渦輪葉片材料[39?40]。由于塑性變形后的金屬材料在高溫服役環(huán)境下易發(fā)生再結(jié)晶，而使表面加工硬化層發(fā)生內(nèi)應(yīng)力釋放與顯微組織改變，最終導(dǎo)致表面強化效果的弱化甚至消失[41]。因此，激光沖擊等表面強化處理在單晶高溫合金上的應(yīng)用未見大量報道。

圖6 激光沖擊處理前后的GH4133合金微觀組織[37]

測試激光沖擊強化后一種鎳基單晶高溫合金試樣縱截面與沖擊表面的納米硬度，并觀察相應(yīng)的組織演變。微觀力學(xué)性能測試結(jié)果表明激光沖擊處理可誘導(dǎo)材料表面產(chǎn)生顯著的硬化效果，并且多次激光沖擊處理引入更深的硬化層。激光沖擊處理誘導(dǎo)的表面塑性變形主要體現(xiàn)在′相尺寸的變化，另外相的寬度也發(fā)生小幅度變化(見圖8)[42]。

2.3 激光沖擊強化后高溫合金材料的服役性能

具有更強中/高溫力學(xué)性能的高溫合金的研制或加工對于航空工業(yè)發(fā)展具有重要意義。對高溫合金實施各種形式的表面強化處理，可以改善合金表面的組織結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)等，從而滿足高溫合金日益提高的服役性能需求。

激光沖擊強化可明顯提高顯微硬度等材料機械性能。徐士東等[43]通過對激光沖擊強化處理前后的鐵基高溫合金GH2036顯微硬度與微觀組織等方面的對比研究，提出激光沖擊強化GH2036合金的機理包括析出相強化、位錯強化和細晶強化，并認(rèn)為位錯繞過型強化是析出相和位錯共同作用的復(fù)合強化機制，位錯以繞過的方式通過′相。

圖7 激光沖擊強化誘導(dǎo)K417合金形成的表面納米晶及其電子衍射圖像[38]

圖8 鎳基單晶高溫合金不同激光沖擊處理區(qū)域的納米硬度與表面顯微組織[42]

采用50%搭接率的激光沖擊強化工藝對鎳基單晶高溫合金拉伸試樣進行強化處理，研究激光沖擊強化誘導(dǎo)的表面加工硬化層對合金中/高溫拉伸變形行為的影響[44]。在700 ℃拉伸條件下，激光沖擊處理誘導(dǎo)材料表面形成的加工硬化層可抑制裂紋快速擴展，提高合金塑性；而在1000 ℃拉伸條件下，表面加工硬化層抑制了試樣的宏觀頸縮，導(dǎo)致其塑性降低。

殘余壓應(yīng)力的引入是表面強化工藝提高材料強度的最主要誘因，在材料服役過程中有效抵消外載荷，增強材料服役能力。CHASWAL[45]對激光沖擊后的IN718Plus合金進行關(guān)于疲勞裂紋擴展的過載測試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光沖擊強化處理改善后的表面應(yīng)力狀態(tài)可明顯延緩裂紋擴展速率(見圖9)。盡管，塑性變形功的引入提高了高溫合金材料在高溫服役環(huán)境下發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶的幾率[38, 46]，但激光沖擊強化對材料的中溫服役性能有明顯增強效果。有試驗數(shù)據(jù)(見圖10)顯示，激光沖擊強化處理的高溫合金材料經(jīng)650 ℃長期熱暴露后，仍能保持較高強度的殘余壓應(yīng)力場分布，加工硬化率在較大深度范圍內(nèi)呈降低趨勢[47]。這在一定程度上表明激光沖擊強化引入材料內(nèi)部的殘余壓應(yīng)力在中溫下也可發(fā)揮積極作用，例如抑制裂紋萌生或延緩裂紋擴展。

航空發(fā)動機葉片用單晶高溫合金的疲勞失效已經(jīng)引起了許多關(guān)注[39]。然而，少有報道關(guān)注到激光沖擊強化對鎳基單晶高溫合金中/高溫疲勞性能的影響。對不同表面強化程度的單晶高溫合金試樣進行700 ℃高周疲勞性能測試后，結(jié)果顯示高強度激光沖擊強化試樣獲得更高的疲勞壽命，證實了激光沖擊強化處理在提高單晶高溫合金疲勞性能方面同樣具有明顯效果。失效試樣的斷裂機理分析結(jié)果(見圖11)顯示：在中溫測試條件下，材料的疲勞裂紋起始于內(nèi)部鑄造微孔洞并沿{111}晶體學(xué)平面擴展；高強度強化試樣的瞬斷區(qū)位于試樣邊緣，而低強度強化試樣的瞬斷區(qū)則位于試樣內(nèi)部[48]。

圖9 激光沖擊處理前后IN718Plus合金的裂紋尖端過載測試[45]

圖10 激光沖擊處理的IN100合金熱暴露處理(650 ℃，100 h)后的殘余應(yīng)力與等效塑性應(yīng)變變化[47]

鑒于高溫合金材料的苛刻服役環(huán)境，近幾年激光沖擊強化處理也被用來提高高溫合金的耐腐蝕[49]與高溫氧化性能[50?51]。激光沖擊強化引入材料內(nèi)部高密度位錯、孿晶等晶體缺陷，導(dǎo)致Cr3+等氧化物陽離子的擴散路徑增長。因此，激光沖擊處理后的高溫合金材料表面可較快速地形成連續(xù)且致密的保護膜，從而提高高溫氧化性能[51]。圖12所示為不同狀態(tài)GH586合金在不同溫度下的氧化動力學(xué)曲線，圖中顯示了激光沖擊處理試樣較高的抗高溫氧化性能[52]。

圖11 不同激光沖擊強化工藝處理的鎳基單晶高溫合金失效試樣的縱截面組織及其失效機制[48]

圖12 不同處理狀態(tài)的GH586合金在不同溫度下的氧化動力學(xué)曲線[52]

3 結(jié)語

1) 激光沖擊誘導(dǎo)金屬材料的微尺度反向變形。表面浮凸是激光沖擊作用下金屬材料自由塑性流動的結(jié)果。針對沖擊應(yīng)力條件下的材料局部微尺度塑性變形，可考慮采用有限元建模等數(shù)值模擬的方法進一步 證實。

2) 激光沖擊強化后單晶高溫合金的顯微組織。激光沖擊處理誘導(dǎo)的晶格畸變使單晶高溫合金微觀力學(xué)性能得以提高。目前缺乏對激光沖擊處理后單晶高溫合金內(nèi)部微觀組態(tài)，諸如位錯的透射電子顯微鏡觀察。研究單晶高溫合金位錯組態(tài)的變化對于更好地理解與認(rèn)識激光沖擊處理的強化機制具有重要意義。

3) 激光沖擊強化后的單晶高溫合金服役性能。盡管再結(jié)晶現(xiàn)象制約激光沖擊處理對單晶高溫合金材料高溫服役性能的強化效果，但采用激光沖擊強化方法提高材料700 ℃左右的中溫服役性能是可行且值得深入研究的方向。

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Research progress of applications of laser shock processing on superalloys

LU Guo-xin1, 2, JIN Tao1, ZHOU Yi-zhou1, ZHAO Ji-bin3, LIU Ji-de1, QIAO Hong-chao3, SUN Xiao-feng1

(1. Superalloys Division, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. School of Electra Mechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 3. Equipment Manufacturing Technology Laboratory, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110179, China)

Laser shock processing (LSP) can produce better strengthening effect than the traditional surface strengthening processes, and the induced microstructure change has higher thermal stability, which is expected to have a beneficial effect on the service performance of superalloy materials. The applications of LSP on different superalloy materials were introduced from the aspects of surface topography, microstructure and service performance. The research direction of numerical simulation and verification of local reverse deformation induced by LSP was proposed through the analysis of the LSP-induced microscale surface topography of superalloy. The research results of LSP in improving the microstructure and fatigue performance of superalloy were summarized, and then the study necessity of LSP fatigue prolonging for single crystal superalloy was indicated.

laser shock processing; superalloy; surface topography; microstructure; property

Project(2014AA041701) supported by the High Technology Research and Development Program of China; Projects(51331005, 11332010) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015020115) supported by the Natural Science Foundation of Liaoning Province in China; Project supported by Basic Frontier and Common Key Technology Innovation Project of Shenyang National Laboratory for Materials Science (SYNL), China-Microstructure evolution induced by laser shock in single crystal superalloy

2017-06-05;

2018-01-08

LU Guo-xin; Tel: +86-20-39322209; E-mail: luguoxin@live.cn

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.09.06

1004-0609(2018)-09-1755-10

TG178；TN249

A

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2014AA041701)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51331005，11332010)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(2015020115)；沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項目(單晶高溫合金的激光沖擊誘導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)演化)

2017-06-05；

2018-01-08

盧國鑫，助理研究員，博士；電話：020-39322209；E-mail：luguoxin@live.cn

(編輯 李艷紅)