論激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在1Cr11Ni2W2MoV鋼中的應(yīng)用

劉風(fēng)坤

（貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550081）

表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)即使用高速?gòu)椡?、沖擊脈沖、高壓水射流、激光等高能量攜帶載體沖擊工件表面，從而使工件表面改性、提高工件綜合力學(xué)性能的一種表面處理技術(shù)。根據(jù)能量攜帶載體的不同，表面沖擊強(qiáng)化技術(shù)主要包括：機(jī)械噴丸強(qiáng)化技術(shù)、超聲沖擊強(qiáng)化技術(shù)、水射流沖擊強(qiáng)化技術(shù)和激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)等。其中，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是近年來(lái)興起的一種新型的表面沖擊強(qiáng)化處理技術(shù)，具有強(qiáng)化處理效果好、工藝參數(shù)可以精準(zhǔn)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1Cr11Ni2W2MoV鋼是一種熱強(qiáng)型馬氏體不銹鋼，具備較高的室溫拉伸強(qiáng)度、持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度，被廣泛地用于制造航空發(fā)動(dòng)的重要零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片。近年來(lái)，為了進(jìn)一步提高1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件的疲勞強(qiáng)度及耐磨損性，國(guó)內(nèi)外的一些企業(yè)采用激光沖擊強(qiáng)化處理的方法對(duì)其進(jìn)行表面沖擊處理。本文從激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的原理著手，分析其沖擊強(qiáng)化處理的效果，簡(jiǎn)述當(dāng)前該技術(shù)在1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件中的應(yīng)用情況，為1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件在不同的服役環(huán)境中工作時(shí)選擇合適的表面強(qiáng)化處理方式提供依據(jù)。

1 激光沖擊強(qiáng)化原理

激光沖擊處理（LSP）是指利用納秒級(jí)、短脈沖、大能量的激光束對(duì)材料表面進(jìn)行輻射，誘導(dǎo)出沖擊波。在沖擊波的力學(xué)效應(yīng)下，位于沖擊區(qū)材料的表層約2mm厚度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，且表層約4μm范圍內(nèi)材料組織得到細(xì)化，從而大幅提高材料的抗疲勞和應(yīng)力腐蝕性能。

激光沖擊處理的原理圖見(jiàn)圖1，原理圖中自上而下分別是約束層、吸收層和1Cr11Ni2W2MoV鋼制工件。約束層采用清潔、快捷、廉價(jià)的均勻流水層，流水層的厚度一般為2～3mm。約束層的作用在于通過(guò)提高沖擊波半峰全寬度和等離子體的壓力來(lái)提升沖擊波沖量。吸收層可采用厚度為0.1～0.15mm的柔性鋁箔，作用是保護(hù)材料表面使其不被激光燒蝕，吸收逆韌，產(chǎn)生等離子體等。采用柔性鋁箔作為吸收層的另一個(gè)好處是，與非金屬吸收層（如黑漆）相比，鋁箔與1Cr11Ni2W2MoV鋼的聲阻抗值較近，可減少基體與吸收層間沖擊波的反射。

當(dāng)采用具有一定傾斜角度（這樣做的好處在于：將圓形光斑轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，防止了圓形光斑中心輻照區(qū)應(yīng)力下降的現(xiàn)象）的激光束輻照工件時(shí)，吸收保護(hù)層鋁箔吸收激光的巨大能量后出現(xiàn)氣化蒸發(fā)現(xiàn)象，產(chǎn)生具有一定壓力的等離子體，這些等離子體繼續(xù)吸收激光的能量形成高強(qiáng)度、爆炸性的沖擊波，這些被誘導(dǎo)出來(lái)的沖擊波中既有塑性波又有彈性波。沖擊波從材料表層向內(nèi)部傳播，在材料表面形成密集的微觀結(jié)構(gòu)，細(xì)化表層組織，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，提高材料的抗疲勞性能。

2 激光沖擊強(qiáng)化的效果

經(jīng)激光沖擊后1Cr11Ni2W2MoV鋼的表層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這些變化使鋼表面的微觀硬度變大、組織細(xì)化、出現(xiàn)較大殘余壓應(yīng)力、表面粗糙度變大、索氏體結(jié)構(gòu)變形等，這些變化都會(huì)對(duì)材料的抗疲勞性能產(chǎn)生影響。

2．1 顯微硬度

硬度是材料抵抗局部變形和破壞的能力，能夠在一定程度上反應(yīng)出材料力學(xué)性能。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的生產(chǎn)過(guò)程中常通過(guò)檢測(cè)葉片表面硬度的方法來(lái)驗(yàn)證葉片的抗疲勞性能是否達(dá)標(biāo)。采用激光沖擊處理后1Cr11Ni2W2MoV鋼表面的硬度可從392HV提高到434HV，硬度提高幅度約為10.7%，硬度影響層的深度可達(dá)2.2mm。在激光束的沖擊作用下，1Cr11Ni2W2MoV鋼的點(diǎn)缺陷濃度增大，這些缺陷的遷移、復(fù)合可形成大量的位錯(cuò)，致使晶格發(fā)生畸變，塑性變形變的更加困難，硬度增加。硬度的提高可以提升壓氣機(jī)葉片的抗氣蝕和磨損能力，使長(zhǎng)期工作在沙塵高速?zèng)_刷環(huán)境中的葉片保持較好的表面質(zhì)量，改善疲勞性能。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化原理

2．2 顯微組織

激光沖擊處理并沒(méi)有使1Cr11Ni2W2MoV鋼表層組織發(fā)生改變，仍然保持為回火索氏體。但處理后材料表面出現(xiàn)了4μm后的納米晶層，晶粒尺寸為20～50納米，晶體學(xué)去向隨機(jī)。納米晶層下出現(xiàn)了一層厚度約為15μm的索氏體變形層。納米晶層的細(xì)化組織可以增加滑移變形抗力，減少滑移帶的形成，抑制滑移帶的開(kāi)裂，阻礙裂紋的擴(kuò)展，提高材料的抗疲勞性能。索氏體變形層的出現(xiàn)，產(chǎn)生了加工硬化的效果，提高材料的強(qiáng)度，進(jìn)而也提高疲勞性能。

2．3 殘余壓應(yīng)力

激光沖擊處理后材料的表層會(huì)在沖擊波的作用下出現(xiàn)約850MPa的殘余壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力的影響深度超過(guò)了2mm。殘余應(yīng)力是材料發(fā)生的彈塑性變形不均勻?qū)е碌模鋸谋韺又羶?nèi)層的數(shù)值按照一定梯度逐漸減小至零。殘余壓應(yīng)力的存在直接影響著材料的抗疲勞性能，二者之間的關(guān)系可從Forman公式中得到。

2．4 表面粗糙度

表面粗糙度是指零件表面微小峰谷的高低以及細(xì)密程度構(gòu)成的微觀幾何形狀特征。由于零件的疲勞裂紋大多萌生于材料的表面，因此，材料表面質(zhì)量的高低對(duì)零件的疲勞性能起著至關(guān)重要的影響。表面粗糙度對(duì)材料疲勞性能產(chǎn)生重要影響的原因在于：較大的粗糙度能夠使零件表面產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力集中，促使裂紋成核。零件表面質(zhì)量高低與引起應(yīng)力集中大小的關(guān)系可用缺口應(yīng)力公式來(lái)衡量。

總之，激光沖擊后材料的表層組織細(xì)化、形成不均勻變形層，顯微硬度增大，出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。這些變化延長(zhǎng)了零件中裂紋萌生的時(shí)間，阻礙了已有裂紋的擴(kuò)展，在垂直于主裂紋的方向上生成次生裂紋，一定程度上消耗材料內(nèi)部堆積的能量。盡管對(duì)零件的表面粗糙度產(chǎn)生了一定的影響，但總體上還是大幅提高了零件的疲勞強(qiáng)度。

3 激光沖擊強(qiáng)化的應(yīng)用

任志強(qiáng)等將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用到某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片上，對(duì)比研究了激光沖擊對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼制葉片組織性能和疲勞壽命的影響。結(jié)果表明：采用能力為10J的激光沖擊后，零件表面的殘余壓應(yīng)力達(dá)到最大值；零件表面的馬氏體組織得到了明顯的細(xì)化，出現(xiàn)了塑性變形層達(dá)到了形變強(qiáng)化的效果；與未強(qiáng)化處理的零件相比，激光沖擊處理后零件的疲勞壽命從1.02×106周次提高到1.73×106周次，提高幅度超過(guò)了1.7倍。

賴志林等對(duì)比研究了激光沖擊處理與超聲噴丸處理對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件常溫疲勞性能的影響。結(jié)果表明：在形成殘余壓應(yīng)力方面，激光沖擊處理達(dá)-810MPa,比超聲噴丸處理的-545MPa增加48.6%；在殘余壓應(yīng)力的影響深度方面，激光沖擊處理達(dá)1.8mm，比超聲噴丸的0.4mm增加3.5倍；在表面顯微硬度方面，激光沖擊處理后比未處理狀態(tài)提高了42HV，超聲沖擊處理比未處理狀態(tài)提高了13HV，兩種處理方式相比提高了2.23倍；在零件表面粗糙度方面，未處理零件表面的粗糙度為0.419μm，激光沖擊處理后的表面粗糙度為0.584μm，超聲噴丸處理后的表面粗糙度為0.704μm。綜合來(lái)看，激光沖擊處理使零件的疲勞壽命提高了280.1%，超聲噴丸處理使零件的疲勞壽命提高了88.2%。

汪誠(chéng)等研究了激光沖擊次數(shù)對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件高周疲勞性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強(qiáng)化的次數(shù)對(duì)零件表面粗糙度、殘余應(yīng)力的影響深度及高周疲勞壽命的提高程度都有影響。其中一次激光沖擊強(qiáng)化可將零的疲勞壽命提高3.8倍，而三次激光沖擊強(qiáng)化可將零件的疲勞壽命提高5倍。

4 結(jié)語(yǔ)

激光沖擊強(qiáng)化后零件表層的顯微硬度增加，表層顯微組織發(fā)生細(xì)化且出現(xiàn)一定的變形層，在影響層內(nèi)產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)都是提高零件疲勞性能的主要原因。激光沖擊強(qiáng)化后零件的表面粗糙度會(huì)發(fā)生一定程度的降低，這將對(duì)提高零件的疲勞性能產(chǎn)生不利的影響。相對(duì)于超聲噴丸和機(jī)械噴丸，這種處理方式對(duì)粗糙度造成的影響是最小的。激光沖擊次數(shù)對(duì)提高零件的疲勞性能有一定的影響，隨著這沖擊次數(shù)的增加疲勞壽命的增加幅度逐漸減小。