激光沖擊處理對(duì)GH3039高溫合金磨損性能的影響*

王 亞，周 文，陳 浩，葛茂忠

(1.中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213022；2.江蘇理工學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

GH3039作為一種鎳基變形高溫合金，在800 ℃以下時(shí)具有一定的高溫強(qiáng)度，組織穩(wěn)定，同時(shí)具有良好的冷成形性和焊接性能，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和加力燃燒室等熱端部件不可替代的關(guān)鍵材料[1]。但是GH3039高溫合金受到高溫高壓燃?xì)鉀_刷時(shí)易磨損,為了提高GH3039高溫合金抗磨損性能，拓寬GH3039高溫合金的應(yīng)用范圍，必須采用新的表面改性技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械噴丸技術(shù)來(lái)提高GH3039高溫合金的機(jī)械性能。

作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，激光沖擊處理利用高功率、短脈沖的強(qiáng)激光輻照金屬材料表面，誘導(dǎo)形成高壓沖擊波，使材料發(fā)生超高應(yīng)變率的塑性變形，實(shí)現(xiàn)材料表層的晶粒細(xì)化和形變強(qiáng)化，從而提升材料的耐磨、耐腐蝕以及抗疲勞等性能[2]。目前，眾多學(xué)者開(kāi)展了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)鋁合金、鎂合金、鈦合金、純銅及不銹鋼等金屬材料磨損性能的研究[3-6]，但有關(guān)激光沖擊強(qiáng)化GH3039高溫合金磨損性能的研究鮮有報(bào)道。因此，本文以GH3039高溫合金為對(duì)象，研究激光沖擊處理對(duì)GH3039高溫合金磨損性能的影響，并探究其磨損機(jī)理，為某型渦軸航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)材料由中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司提供，為符合軍標(biāo)的冷軋GH3039高溫合金板，板厚為2 mm，其化學(xué)成分如表1所示,強(qiáng)度極限和延伸率分別為735 MPa和40%。激光沖擊試樣制備過(guò)程如下：采用線切割機(jī)床將GH3039冷軋板加工成尺寸為60 mm×60 mm×2 mm的待沖擊試樣，試樣表面先用金相砂紙打磨，再用丙酮脫脂，接著用電吹風(fēng)吹干。磨損試樣制作過(guò)程如下：采用線切割機(jī)床在激光沖擊區(qū)域加工出10 mm×10 mm×2 mm的磨損試樣，接著用丙酮清洗，然后風(fēng)干。

表1 GH3039化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 激光沖擊處理實(shí)驗(yàn)

激光沖擊處理采用美國(guó)LSPT公司研制的Procudo200型強(qiáng)激光沖擊裝置。激光加工工藝參數(shù)如表2所示。分別選用2 mm厚流動(dòng)的自來(lái)水作為約束層和0.1 mm厚的黑膠帶作為吸收層。激光沖擊結(jié)束后，去除黑膠帶，并用丙酮清洗激光沖擊表面，再用冷風(fēng)吹干。

表2 激光加工工藝參數(shù)

1.3 干摩擦實(shí)驗(yàn)

在大氣環(huán)境和室溫條件下，采用UMT-2高溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)(美國(guó)CETR公司)對(duì)母材和激光沖擊試樣進(jìn)行直線往復(fù)式干摩擦實(shí)驗(yàn)，對(duì)磨偶件采用硬度為770 HV、直徑為3 mm的440 C不銹鋼球。實(shí)驗(yàn)載荷為5 N，沖程為10 mm，轉(zhuǎn)速為120 r/min，磨損時(shí)間分別取15 min、20 min、25 min、30 min。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器

采用德國(guó)蔡司公司研制的ZEISS Primotech光學(xué)顯微鏡觀測(cè)激光沖擊處理前后GH3039高溫合金的微觀結(jié)構(gòu)。采用美國(guó)NANOVEA公司研制的PS50型非接觸式三維輪廓儀測(cè)量激光沖擊前后試樣的表面形貌。利用SIGMA500型高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察試樣磨痕形貌，配合使用EDS能譜儀分析其磨屑成分。采用HXD-1000TMSC/LCD型顯微硬度儀來(lái)測(cè)量試樣沿截面方向的顯微硬度，載荷大小為100 g，保壓時(shí)間為10 s，靠近激光沖擊表面區(qū)域顯微硬度測(cè)量間隔為50 μm，遠(yuǎn)離激光沖擊表面區(qū)域顯微硬度測(cè)量間隔為100 μm，同一深度截面測(cè)量三個(gè)不同位置點(diǎn)，取其平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

圖1為GH3039高溫合金激光沖擊前后微觀結(jié)構(gòu)。圖1(a)表明：激光沖擊之前，GH3039高溫合金平均晶粒大小為46.32 μm。圖1(b)表明：激光沖擊之后，GH3039高溫合金平均晶粒大小為21.67 μm。這說(shuō)明激光沖擊誘導(dǎo)產(chǎn)生的高壓沖擊波作用在靶材表面，使靶材發(fā)生劇烈塑性變形的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了表層材料的晶粒細(xì)化。當(dāng)高能激光束輻照材料表面，吸收層吸取激光能量并氣化為高壓等離子體，其在約束層作用下形成高壓沖擊波并向材料內(nèi)部傳播。當(dāng)沖擊波的峰值應(yīng)力大于材料的動(dòng)態(tài)屈服極限，導(dǎo)致材料產(chǎn)生超應(yīng)變率的塑性變形，位錯(cuò)滑移被全面激活，晶粒內(nèi)部出現(xiàn)大量位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)胞和位錯(cuò)網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)纏結(jié)通過(guò)不斷吸收位錯(cuò)，逐步轉(zhuǎn)化為亞晶界和晶界，使材料的晶粒得到細(xì)化[7-9]。

圖1 GH3039高溫合金激光沖擊前后微觀結(jié)構(gòu)

2.2 顯微硬度

激光沖擊前后，GH3039高溫合金表層顯微硬度分布如圖2所示。由圖2可知：激光沖擊前，GH3039高溫合金表面顯微硬度平均值為250.8 HV；而激光沖擊后，試樣表面顯微硬度平均值為315.5 HV。同未沖擊試樣相比，激光沖擊試樣表面顯微硬度提高了25.8%，且顯微硬度變化層深度達(dá)到1.8 mm左右。沿深度方向，沖擊試樣表層顯微硬度不斷減小，這是由于沖擊波的壓力在傳播過(guò)程中隨著傳播距離的增加而不斷衰減造成的。當(dāng)沖擊波的壓力低于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料就不會(huì)發(fā)生塑性變形，因此，激光誘導(dǎo)的形變硬化層位于材料表層。此外，在距離試樣表面相同深度截面上，激光沖擊試樣的顯微硬度明顯高于未沖擊試樣，這說(shuō)明激光沖擊提高了GH3039高溫合金表面的顯微硬度。激光沖擊GH3039高溫合金表層顯微硬度的提高主要源于激光沖擊誘導(dǎo)的晶粒細(xì)化和形變強(qiáng)化。

圖2 GH3039高溫合金激光沖擊前后顯微硬度沿深度分布

2.3 表面粗糙度

表面粗糙度影響試樣的磨損率，一般而言，試樣表面粗糙度值越大，材料的磨損率越高。激光沖擊前后，GH3039高溫合金試樣表面平均粗糙度值分別為Ra0.037 μm 和Ra0.047 8 μm，這說(shuō)明激光沖擊后GH3039高溫合金表面粗糙度值略有增大。由于激光沖擊試樣表面粗糙度值增加幅度較小，因此，激光沖擊誘導(dǎo)的粗糙度值增加對(duì)試樣磨損率的影響可以忽略。

2.4 磨損性能

圖3為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣的磨痕微觀形貌，其中圖3(b)、(d)分別為圖3(a)、(c)的局部放大圖。由圖3(a)可知，未沖擊試樣的表面磨損嚴(yán)重，試樣表面出現(xiàn)較深且寬的犁溝，表面存在尺寸較小的凹坑，其原因主要是在摩擦過(guò)程中摩擦副的微觀局部接觸面在法向載荷作用下發(fā)生冷焊而形成粘著點(diǎn)，隨后在摩擦過(guò)程中粘著點(diǎn)受循環(huán)剪切應(yīng)力作用被撕裂、剝離，試樣表層的材料被剪切脫落，試樣表面形成微小的凹坑。微觀局部接觸面的脫落材料形成磨屑，在摩擦過(guò)程中充當(dāng)磨粒，進(jìn)一步犁削基體材料，加劇金屬材料的磨損。由圖3(a)、(c)可知，未沖擊試樣表面磨痕的平均寬度為1 146.63 μm，激光沖擊試樣磨痕平均寬度為1 012.19 μm。對(duì)比未沖擊試樣，激光沖擊試樣的磨痕寬度明顯減小，磨痕表面的犁溝較淺且寬度較窄，剝落坑較少，究其原因是激光沖擊誘導(dǎo)的形變強(qiáng)化提高了試樣表面的顯微硬度，材料的抗塑性變形能力得到增強(qiáng)。

圖3(b)為未沖擊試樣的微觀磨痕局部圖，從圖中可以看出，磨損表面存在寬而深的犁溝和較大的顆粒狀的金屬磨屑，該現(xiàn)象是典型的磨粒磨損，其產(chǎn)生的主要原因是摩擦過(guò)程中摩擦副接觸面之間的微觀剪切和犁削造成的。觀察圖3(d)可知，激光沖擊試樣的磨痕底部相對(duì)平滑，犁溝深度較淺且寬度較小，金屬磨屑碎裂程度更明顯，尺寸更小。結(jié)合圖3(a)、(c)可知，GH3039高溫合金試樣的滑動(dòng)干摩擦磨損過(guò)程主要是磨粒磨損。

圖4為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣磨痕表面的能譜分析圖(EDS)。其中，圖4(a)為GH3039高溫合金基材的能譜，圖4(b)和圖4(c)分別為激光處理前后金屬磨屑的能譜。相比于基材(圖4(a))的能譜，GH3039高溫合金試樣的磨痕表面的磨屑中均出現(xiàn)氧元素的衍射峰，且試樣經(jīng)激光沖擊后，氧元素的衍射峰強(qiáng)度逐漸降低。這表明在干摩擦磨損過(guò)程中所有試樣均發(fā)生表面氧化磨損，且經(jīng)激光沖擊后試樣的氧化磨損程度有所降低。

綜上所述，GH3039高溫合金試樣在滑動(dòng)干摩擦過(guò)程中發(fā)生了磨粒磨損和氧化磨損，主要磨損形式為磨粒磨損。結(jié)合圖3和圖4分析可知，激光沖擊強(qiáng)化能顯著提高GH3039高溫合金的耐磨損性能。

圖3 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣的磨痕微觀形貌

圖4 激光沖擊前后GH3039高溫合金的微觀碎片的EDS分析

圖5為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣磨痕的三維形貌圖。利用三維光學(xué)輪廓儀分析軟件測(cè)算磨痕的深度和截面積。未沖擊試樣的平均磨痕深度和磨損截面積分別為1.43 μm和767 μm2；激光沖擊試樣的平均磨痕深度和磨損截面積分別為1.02 μm和412 μm2?？梢钥闯觯す鉀_擊試樣的磨痕深度和磨損截面積明顯小于未沖擊試樣。

圖5 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣磨痕的三維形貌

圖6為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金的磨損率。通過(guò)計(jì)算激光沖擊處理前后試樣的磨損率并分析其變化情況，以此定量分析激光沖擊處理對(duì)GH3039高溫合金試樣耐磨損性能的影響。通過(guò)下列公式計(jì)算磨損率：

(1)

其中：Wr為磨損率，mm3/(s·N)；A為磨損截面積，mm2；L為摩擦行程長(zhǎng)度，mm；t為摩擦?xí)r間，s；P為施加載荷，N。由前文可知兩種試樣的磨損截面積，摩擦行程長(zhǎng)度為10 mm，摩擦?xí)r間為1 800 s，施加載荷為5 N。由式(1)可計(jì)算得到試樣磨損率。由圖6可知：未沖擊試樣的平均磨損率為0.852×10-6mm3/(s·N)，而激光沖擊試樣的平均磨損率為0.457×10-6mm3/(s·N)。同激光未沖擊試樣相比，激光沖擊試樣的平均磨損率下降了46.4%。由此可知，激光沖擊強(qiáng)化明顯降低了GH3039高溫合金試樣的磨損率，材料的耐磨性能得到提高。

圖6 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣的磨損率

圖7為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣磨損量隨時(shí)間的變化曲線。由圖7可知：未沖擊試樣與激光沖擊試樣的磨損量變化均表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)；0～20 min為磨損前期，試樣的磨損量隨摩擦?xí)r間增加而迅速增大，該階段為磨損的磨合階段，但未沖擊試樣磨損量增長(zhǎng)速度明顯高于沖擊試樣；20 min之后，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，與磨合階段相比，試樣的磨損量隨著摩擦過(guò)程延長(zhǎng)而持續(xù)緩慢增加。從磨損量曲線整體來(lái)看，在相同的摩擦?xí)r間內(nèi)，激光沖擊試樣的磨損量明顯低于未沖擊試樣，表明激光沖擊處理有效提升了GH3039高溫合金的耐磨損性能。

圖7 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣的磨損量隨時(shí)間的變化曲線

2.5 激光沖擊抗磨損機(jī)理分析

當(dāng)激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的峰值壓力達(dá)到數(shù)GPa的沖擊壓力波作用在材料表面，其對(duì)材料將產(chǎn)生以下兩方面的作用：

(1)材料表層將發(fā)生劇烈的塑性變形。現(xiàn)有的研究表明：激光沖擊處理誘導(dǎo)的應(yīng)變率高達(dá)107s-1，而傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)如機(jī)械表面研磨，其應(yīng)變率只能達(dá)到102s-1～103s-1。劇烈的塑性變形有助于提高材料表層的強(qiáng)度和硬度。

(2)在超高壓力沖擊波作用下，位錯(cuò)滑移將被有效地激活，從而實(shí)現(xiàn)表層材料晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化有助于顯著提高材料表層硬度。對(duì)于磨粒磨損而言，硬度提高能夠顯著改善金屬材料的抗磨損能力。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)激光沖擊處理前后GH3039高溫合金微觀結(jié)構(gòu)、顯微硬度、表面粗糙度及磨痕的觀測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1)激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，同時(shí)伴有氧化磨損。

(2)激光沖擊強(qiáng)化提升了GH3039高溫合金的耐磨損性能。同未沖擊試樣相比，激光沖擊試樣的平均磨損率下降了46.4%。在相同的摩擦?xí)r間內(nèi)，激光沖擊試樣的磨損量明顯低于未沖擊試樣。

(3)激光沖擊強(qiáng)化引起的晶粒細(xì)化和形變強(qiáng)化是GH3039高溫合金耐磨損性能提升的主要原因。