激光沖擊強(qiáng)化對(duì)Ti6Al4V合金表面完整性和四點(diǎn)彎曲疲勞性能的影響

羅學(xué)昆，查小暉，王 欣，王 強(qiáng)，宋穎剛，湯智慧

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)(2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵金屬轉(zhuǎn)子部件的疲勞壽命關(guān)系到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠服役，可以通過在金屬表面引入塑性變形層的方式提高其疲勞壽命[1]。疲勞裂紋通常在金屬構(gòu)件的自由表面形核并擴(kuò)展，而形核一般是由金屬表面異質(zhì)點(diǎn)或微觀結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生應(yīng)力集中引起的。研究表明[2,3]，表面塑性變形產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)能夠改善金屬表面的應(yīng)力狀況，從而抑制表面疲勞裂紋的萌生，組織強(qiáng)化層也能進(jìn)一步減緩疲勞裂紋的擴(kuò)展速率。目前，國(guó)內(nèi)外已開發(fā)出多種表面塑性變形加工技術(shù)，例如磨削[4,5]、噴丸[6，7]、孔擠壓[8，9]、深滾壓[10]等。其中，激光沖擊強(qiáng)化也稱激光噴丸，是一種新型高效的表面強(qiáng)化技術(shù)，在國(guó)外已被應(yīng)用于多種型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)子部件的加工與延壽中，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

不同于傳統(tǒng)的噴丸技術(shù)，激光沖擊強(qiáng)化采用高能、短脈沖激光束輻照金屬表面涂覆的吸收層，產(chǎn)生高壓等離子體沖擊波，使金屬表面發(fā)生塑性變形，從而形成一定深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和組織強(qiáng)化層。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)針對(duì)不同金屬構(gòu)件的應(yīng)用需求，采用不同的工藝參數(shù)產(chǎn)生不同的表面殘余應(yīng)力場(chǎng)和組織強(qiáng)化層，從而有效提高金屬構(gòu)件的疲勞抗力。

Ti6Al4V合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、良好的綜合力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇及壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件。但是，Ti6Al4V合金也存在應(yīng)力集中敏感性高、硬度低、耐磨性能差等諸多不足，在高載荷、高轉(zhuǎn)速及外物損傷等條件下，易發(fā)生疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展，導(dǎo)致葉片或葉盤失效，降低鈦合金轉(zhuǎn)子的安全服役壽命。已有研究表明，鈦合金等金屬材料的疲勞行為受到激光能量[11,12]、掃描路徑[13,14]、搭接率[15]、沖擊次數(shù)[16-18]、材料特性[19]等多重因素的影響。針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)前端轉(zhuǎn)子部件的應(yīng)用需求，系統(tǒng)研究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)Ti6Al4V合金表面完整性及四點(diǎn)彎曲疲勞性能的影響規(guī)律，并與傳統(tǒng)噴丸試樣的疲勞壽命增益效果進(jìn)行了對(duì)比，為激光沖擊強(qiáng)化在鈦合金表面強(qiáng)化處理中的應(yīng)用提供借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用原材料為退火態(tài)Ti6Al4V合金鍛件，其力學(xué)性能如表1所示。從鍛件上截取四點(diǎn)彎曲疲勞試樣，其形狀與尺寸如圖1所示。試樣長(zhǎng)度方向與鍛件縱向一致，其下表面為單一平面，上表面為凸面，由2個(gè)斜平面和1個(gè)平行于下表面的平面組成。所有平面均磨削至表面粗糙度Ra為0.8 μm，對(duì)斜平面與上表面平面之間的過渡棱邊進(jìn)行倒圓(半徑r=0.8 mm)處理。

表1 Ti6Al4V合金鍛件的力學(xué)性能

Table 1 Mechanical properties of Ti6Al4V alloy forging

圖1 四點(diǎn)彎曲疲勞試樣尺寸示意圖Fig.1 Geometry of the specimen for four-point bending fatigue test

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

疲勞試樣分為4組，每組試樣均為5件。第1組(Un-treated組)試樣的最終表面加工工藝為磨削，未經(jīng)表面強(qiáng)化處理，試樣編號(hào)A1～A5。第2組(LSP-1組)試樣在磨削的基礎(chǔ)上進(jìn)行激光沖擊處理，激光功率密度為15.9 GW/cm2，試樣編號(hào)B1～B5。第3組(LSP-2組)試樣也在磨削的基礎(chǔ)上進(jìn)行激光沖擊處理，激光功率密度為7.1 GW/cm2，試樣編號(hào)C1～C5。激光沖擊處理采用西安天瑞達(dá)公司提供的激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，其中激光器由北京鐳寶光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)。在上述2種激光功率密度條件下，激光器具有良好的能量輸出穩(wěn)定性。樣品表面的沖擊次數(shù)均為1次，搭接率均為50%。激光沖擊區(qū)域如圖1中虛線框所示。第4組(SP組)試樣在磨削的基礎(chǔ)上進(jìn)行陶瓷丸噴丸強(qiáng)化處理，噴丸強(qiáng)度為0.10～0.15 A，覆蓋率為100%～200%，噴丸區(qū)域與上述激光沖擊區(qū)域一致，試樣編號(hào)D1～D5。

采用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)[20]，試驗(yàn)參數(shù)如下：常溫，加載最大應(yīng)力σmax為550 MPa，應(yīng)力比R為0.1，載荷頻率f為8 Hz，上表面支撐棒的跨距為80 mm，下表面加載棒的跨距為30 mm。依據(jù)HB/Z 112—1986材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法[21]要求，采用中值疲勞壽命對(duì)不同表面加工狀態(tài)試樣的疲勞壽命進(jìn)行對(duì)比分析。

采用APPLLO 300型掃描電鏡(SEM)觀察疲勞試樣斷口形貌，分析激光沖擊強(qiáng)化對(duì)材料疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展行為的影響。采用PROTO公司的LXRD型X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)試儀，按照GB 7704—2017《無損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法》測(cè)定材料表面的殘余應(yīng)力，并結(jié)合電化學(xué)腐蝕法獲得材料表面沿深度方向的殘余應(yīng)力梯度變化。測(cè)試條件為Cu靶Kα射線，定峰方法為同傾法，所用X射線光斑為φ2 mm的圓斑。測(cè)試結(jié)果中“+”值代表拉應(yīng)力，“-”值代表壓應(yīng)力。采用Tecnai G2 F20 S-TWIN透射電鏡觀察Un-treated試樣和LSP-1試樣表面以下0.2 mm處的微觀組織形貌。采用HMAS-C1000SZA顯微硬度儀測(cè)量試樣表面以下沿深度方向的硬度分布，施加載荷為1.96 N。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞性能

表2列出了4組試樣的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命實(shí)測(cè)值、中值疲勞壽命(Nm)估計(jì)量及其增益比r(與Un-treated試樣的中值疲勞壽命比)。由表2可知，LSP-1試樣的最小疲勞壽命為2.35×105周次，是Un-treated試樣最長(zhǎng)疲勞壽命(4.22×104周次)的5.6倍。Un-treated試樣的中值疲勞壽命為3.48×104周次，SP試樣的中值疲勞壽命為6.26×104周次，而LSP-1試樣的中值疲勞壽命可達(dá)4.12×105周次。對(duì)于LSP-1試樣和Un-treated試樣的疲勞壽命差異，根據(jù)成組對(duì)比試驗(yàn)的F檢驗(yàn)法，選取置信度γ=95%和顯著度α=5%，計(jì)算和查表得到FLSP-1=8.64，F(xiàn)α=2.776。FLSP-1>Fα，因此可以認(rèn)為2組試樣的疲勞壽命平均值顯著不同，LSP-1試樣的疲勞壽命顯著高于Un-treated試樣。通過成組對(duì)比試驗(yàn)和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，以95%的置信度，NLSP-1是NUn-treated的5.2～24.5倍。另外，對(duì)于LSP-2試樣和Un-treated試樣的疲勞壽命差異，以95%的置信度，NLSP-2是NUn-treated的0.4～2.9倍; 而NSP是NUn-treated的0.3～3.1倍。

表2 不同工藝試樣的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命

Table 2 The four-point bending fatigue life of specimens treated by different processing methods

以上分析表明，激光沖擊強(qiáng)化和噴丸強(qiáng)化均能夠提升Ti6Al4V合金試樣的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命，而采用更高功率密度激光沖擊得到的LSP-1試樣表現(xiàn)出更優(yōu)的疲勞壽命增益效果。

2.2 疲勞斷口

四點(diǎn)彎曲試樣截面呈梯形，上表面為小平面(16 mm×100 mm)，與支撐棒呈線接觸，承受拉-拉載荷，載荷大小沿深度方向逐漸遞減，而下表面為大平面(34 mm×100 mm)，與加載棒也呈線接觸，承受壓-壓載荷，載荷大小沿深度方向逐漸遞減，在試樣中部為0。因此，承受拉-拉載荷的上平面更容易萌生疲勞裂紋。

圖2為典型的Un-treated試樣(編號(hào)A3)和LSP-1試樣(編號(hào)B2)的斷口形貌。從圖2a、d可以看出，2種試樣斷口均起源于試樣的上表面，為典型的疲勞斷口，存在疲勞源區(qū)(Region I)、裂紋擴(kuò)展區(qū)(Region Ⅱ)和瞬斷區(qū)(Region Ⅲ)3個(gè)特征區(qū)域。對(duì)比圖2b、e可知，Un-treated試樣疲勞裂紋起源于小平面上的不連續(xù)加工刀痕，疲勞源數(shù)量為2個(gè)，兩者間距約1 mm；而LSP-1試樣的斷口呈現(xiàn)單源特征，疲勞源位于小平面以下約1.5 mm深度處，這說明經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，疲勞裂紋從亞表面萌生。由圖2a、d可知，2種試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)大小顯著不同，Un-treated試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)從小平面以下一直延伸到距大平面約2 mm位置處，剩余部位為瞬斷區(qū)，而LSP-1試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)幾乎貫穿整個(gè)試樣，瞬斷區(qū)面積小于Un-treated試樣。2種試樣疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶寬度不同，Un-treated試樣的疲勞條帶寬度約1.0 μm(距源區(qū)約1.4 mm)，見圖2c，而LSP-1試樣在相同距離處的疲勞條帶寬度僅約0.5 μm,見圖2f。研究表明[22,23]，疲勞條帶間距可近似反映疲勞裂紋的擴(kuò)展速率da/dN。因此可推斷，經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，在疲勞裂紋擴(kuò)展早期，疲勞裂紋擴(kuò)展速率比未強(qiáng)化試樣降低了約一半。LSP-1試樣的疲勞源附近出現(xiàn)了一些小的平滑面，這說明裂紋在張開閉合時(shí)，斷口表面經(jīng)過反復(fù)的磨合，使該處的表面粗糙度降低。平滑面的出現(xiàn)預(yù)示著激光沖擊強(qiáng)化試樣的裂紋擴(kuò)展速率在裂紋擴(kuò)展早期較低。

以上結(jié)果表明，相對(duì)于Un-treated試樣，LSP-1試樣的疲勞壽命不僅顯著提升，而且疲勞源數(shù)量減少，疲勞源位置從表面轉(zhuǎn)移到亞表層，說明激光沖擊后試樣表面得到了顯著強(qiáng)化，減小了疲勞裂紋萌生幾率，提高了試樣表面的疲勞抗力。激光沖擊強(qiáng)化后疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)面積顯著增大，也說明疲勞擴(kuò)展壽命顯著增加。疲勞條帶寬度減小，表明裂紋尖端擴(kuò)展阻力增大，裂紋擴(kuò)展速率顯著降低。

圖2 不同試樣的疲勞斷口形貌Fig.2 Fatigue fracture morphologies of specimens treated by different processing methods:(a)macro photo of the crack of Un-treated specimen; (b)crack initiation sites of Un-treated specimen; (c)fatigue striation of Un-treated specimen; (d)macro photo of the crack of LSP-1 specimen; (e)crack initiation site of LSP-1 specimen; (f)fatigue striation of LSP-1 specimen

2.3 顯微硬度

圖3為試樣表面未強(qiáng)化區(qū)域與相鄰激光沖擊處理區(qū)域的維氏顯微硬度分布。由圖3可知，在LSP-1條件下，未強(qiáng)化區(qū)域的顯微硬度平均值約為3 400 N/mm2，而激光沖擊區(qū)域的顯微硬度平均值約為3 700 N/mm2，提高了約10%。在LSP-2條件下也呈

圖3 試樣表面未強(qiáng)化區(qū)域與相鄰激光沖擊區(qū)域的維氏顯微硬度分布Fig.3 Vicker’s micro-hardness profiles of the un-treated region and adjacent laser-shock-peened region on the surface of specimen

現(xiàn)出類似的分布規(guī)律。這表明，在激光誘導(dǎo)的超高沖擊波壓力下，材料表層發(fā)生顯著的塑性變形，產(chǎn)生了“加工硬化”效應(yīng)。激光沖擊后表面顯微硬度的增大有利于提高鈦合金抗外物損傷的能力。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

圖4為Un-treated試樣和LSP-1試樣表面以下約0.2 mm深度處的TEM明場(chǎng)像。由圖4可知，Un-treated試樣內(nèi)部可見片狀的α相組織，而LSP-1試樣經(jīng)嚴(yán)重的塑性變形后，α相的組織內(nèi)部存在大量位錯(cuò)線，靠近晶界處高密度的位錯(cuò)線相互纏繞，局部可見顯著的位錯(cuò)墻和孿晶。位錯(cuò)密度增加不僅有利于提高材料的硬度，還有利于提高材料的疲勞性能。疲勞裂紋的萌生主要取決于裂紋尖端晶粒的滑移機(jī)制，在交變載荷作用下，表面優(yōu)先滑移形成滑移帶，并在滑移帶最密集的區(qū)域優(yōu)先起源。因此，激光沖擊后試樣的疲勞源將出現(xiàn)在位錯(cuò)密度相對(duì)較低、更易滑移的亞表層。

2.5 殘余應(yīng)力分布

圖5為不同工藝試樣表面以下沿深度方向的殘余應(yīng)力分布。因測(cè)量所用X射線光斑直徑為2 mm，故所測(cè)殘余應(yīng)力值為該光斑內(nèi)材料的宏觀殘余應(yīng)力值。由圖5可知，Un-treated試樣表面處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力幅值約為+52 MPa，而沿深度方向的殘余應(yīng)力分布存在較小幅度的波動(dòng)，變化范圍為-100～+90 MPa。對(duì)于LSP-1和LSP-2試樣，表面均處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，分別為-702 MPa和 -690 MPa，但LSP-1試樣的殘余壓應(yīng)力層深度(約1 400 μm)比LSP-2試樣(約600 μm)更大。LSP-1試樣的激光功率密度大于LSP-2試樣，表明激光功率密度越大，產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力層深度越大。激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊波壓強(qiáng)達(dá)到了GPa量級(jí)，并且隨著激光功率密度的增大而顯著增大，超高壓強(qiáng)使材料迅速發(fā)生塑性變形，形成具有一定深度的塑性變形層，并且深度隨著激光功率密度的增大而增大，在宏觀上表現(xiàn)為高幅殘余壓應(yīng)力層。已有研究表明，殘余壓應(yīng)力是增強(qiáng)疲勞極限和減小疲勞缺口敏感性的主要因素[24]。在受載過程中，表面殘余壓應(yīng)力能夠抵消一部分外加拉應(yīng)力載荷，有效降低金屬表面的拉應(yīng)力水平，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。

圖4 Un-treated和LSP-1試樣表面以下約0.2 mm深度處的TEM明場(chǎng)像Fig.4 Bright-field TEM images at the depth of 0.2 mm below the specimens surface： (a)Un-treated specimen; (b)LSP-1 specimen

圖5 不同工藝試樣表面殘余應(yīng)力沿深度方向的分布曲線Fig.5 Residual stress distribution along the distance from the surface of specimens with different processing method

SP噴丸試樣表面也處于殘余壓應(yīng)力狀態(tài)(-720 MPa)，比激光沖擊試樣表面的殘余壓應(yīng)力值略高；最大殘余壓應(yīng)力位于亞表層(約20 μm處)，而激光沖擊LSP-1和LSP-2試樣的最大殘余壓應(yīng)力均位于表面；SP試樣的殘余應(yīng)力層深度僅約220 μm，遠(yuǎn)小于LPS-1和LSP-2試樣的殘余應(yīng)力層深度。

3 結(jié) 論

(1)激光沖擊強(qiáng)化大幅提高了Ti6Al4V合金的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命。試樣的疲勞壽命隨激光功率密度的增大而增大，當(dāng)激光功率密度達(dá)到15.9 GW/cm2時(shí)，中值疲勞壽命是Un-treated試樣的5.2～24.5倍。

(2)Un-treated試樣疲勞裂紋起源于表面不連續(xù)刀痕處，而經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后，疲勞源數(shù)量減少，并轉(zhuǎn)移至亞表層，且疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶寬度較Un-treated試樣有所減小，疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著降低。

(3)激光沖擊強(qiáng)化后，Ti6Al4V合金表面顯微硬度顯著提高，并形成了具有一定深度的殘余壓應(yīng)力層，而亞表層內(nèi)部的位錯(cuò)密度顯著提高。這些變化對(duì)Ti6Al4V合金疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有顯著的抑制作用。

(4)陶瓷丸噴丸形成的表面殘余壓應(yīng)力值比激光沖擊強(qiáng)化的更高，而激光沖擊強(qiáng)化形成的殘余壓應(yīng)力層深度(600～1 400 μm)遠(yuǎn)大于陶瓷丸噴丸形成的殘余壓應(yīng)力層深度(約220 μm)。激光沖擊強(qiáng)化相比陶瓷丸噴丸表現(xiàn)出更優(yōu)的疲勞壽命增益效果。