強脈沖激光照射TC11合金組織和抗氧化性能分析

王一剛

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，重慶 402260)

引 言

利用強脈沖激光照射對物體進行照射可以將大量能量在極短時間內(nèi)輻射到物體表面，使被輻射物體的表面出現(xiàn)熔化、燒蝕等[1-7]。當(dāng)材料受到劇烈輻射后,其表面溫度將會發(fā)生迅速改變從而形成明顯的熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時材料內(nèi)部則會因為受到燒蝕等離子體噴發(fā)作用形成反沖應(yīng)力波[8-11]。在上述各項作用的綜合影響下，輻射靶材的表層組織將會發(fā)生結(jié)構(gòu)改變，并進一步引起靶材表面耐蝕性、摩擦性能以及顯微硬度等的變化，達到材料表面改性的目的[12-13]。由于鈦合金可以在較高溫度范圍內(nèi)(600℃～900℃)保持良好的機械強度以及優(yōu)異的抗高溫氧化與耐腐蝕性能，目前該合金已被廣泛應(yīng)用在汽車發(fā)動機、航空航天等重要工業(yè)領(lǐng)域[14-17]。其中，TC11合金屬于一類通過沉淀強化方式得到的變性高溫合金，在飛機發(fā)動機葉片、機匣等部件制造領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[18]。

本文中主要研究了利用強脈沖激光照射技術(shù)對鈦合金進行性能改性的過程，分析了TC11鈦合金受到強脈沖激光照射之后發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能方面的變化情況，探討了對TC11鈦合金采用不同脈沖參量強脈沖激光照射之后，其表面微觀結(jié)構(gòu)、抗氧化性、顯微組織結(jié)構(gòu)與硬度等的變化規(guī)律。

1 材料及方法

本實驗中采用TEMP-4M強脈沖激光加速器對合金材料進行強脈沖激光照射測試。參量如下：波長為800nm，脈寬為250fs，頻率為1kHz,最小輸出功率為1W，移動范圍為300μm×300μm×200μm，精度為1μm，負(fù)載為12kg,速率不小于300mm/s。該加速器的峰值電壓為250kV，生成的強脈沖激光照射脈沖離子成分由30%氫離子和70%碳離子構(gòu)成，并控制在0J/cm2～5J/cm2的脈沖能量密度。用于測試的樣品尺寸為20mm×8mm×6mm，在測試前需要對試樣采用SiC砂紙打磨處理，再對其實施超聲清洗并用酒精擦拭，之后再對材料表面照射測試。在實驗過程中，將強脈沖激光照射的脈沖能量密度分別控制在1J/cm2,3J/cm2與5J/cm2。

對試樣表面微觀形貌進行了JSM6010掃描電鏡與光學(xué)顯微鏡表征，同時采用Thermal 能譜儀對合金材料的表面元素組成情況進行了測試。采用型號為Rigaku Ultimal V的X射線衍射儀對試樣表面的物相結(jié)構(gòu)進行了測試。以HV-1000(Z)顯微硬度計測試試樣的顯微硬度，對各試樣進行5次隨機測量并取平均值作為測試結(jié)果。參照HB-5258標(biāo)準(zhǔn)測試了試樣的抗高溫氧化性能，測試過程在坩堝內(nèi)進行，在空氣中將試樣升溫至9200℃并保溫60h，通過電子天平對試樣的質(zhì)量進行了稱量。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌及成分

對照射處理前以及經(jīng)過不同脈沖能量密度強脈沖激光照射處理后的TC11合金材料的表面微觀情況進行觀察,得到圖1所示的形貌。根據(jù)圖1可知，對TC11合金照射處理前，對試樣不同部位的表面形貌進行觀察結(jié)果基本相同，大多是由機械拋光產(chǎn)生的許多小劃痕以及部分金屬碎屑。經(jīng)過1J/cm2的強脈沖激光對材料表面進行脈沖照射后，可以發(fā)現(xiàn)合金材料的表面出現(xiàn)了熔融的情況，明顯看到有部分小劃痕受熔體流動的影響后呈現(xiàn)為圓滑形態(tài)。此外，還可以觀察到試樣表面形成了許多熔坑，這些熔坑的外徑基本處于5μm～10μm之間。隨著強脈沖激光照射脈沖能量密度增大到3J/cm2之后，合金表層的熔坑外徑也隨之變大到10μm～20μm。之后，強脈沖激光照射脈沖能量密度繼續(xù)增大達到5J/cm2時，熔坑外徑達到了50μm～70μm。并且當(dāng)能量密度增大后，TC11合金的熔融時間及其熔化層深度也相應(yīng)增加，此時在合金表層中已不存在最初的機械劃痕結(jié)構(gòu)。

對圖1所示的合金表面區(qū)域進行透射電子顯微鏡(energy dispersive spectroscopy,EDS)測試后，得到了表1所示的各成分組成情況。經(jīng)過強脈沖激光照射處理后，合金表層形成了約1.5μm外徑的微孔，對這些微孔部位進行EDS測試發(fā)現(xiàn)其構(gòu)成元素主要為Mg,O,S,C。對TC11合金的初始原料粉末化學(xué)成分進行分析可知，微孔區(qū)域的元素基本都是在熔煉階段形成的雜質(zhì)或痕量元素。這些元素的熔點比較低，無法在γ相中固溶，因此通常是以化合物或單質(zhì)顆粒的狀態(tài)分布于相界與晶界區(qū)域。經(jīng)過強脈沖激光照射后，試樣中的夾雜物先熔融或汽化，同時在受熱或朝邊緣膨脹的階段還會引起亞表層噴發(fā)的現(xiàn)象。在強脈沖激光照射處理結(jié)束后，合金表層依然保持了原先的形貌狀態(tài)并凝固，最終生成熔坑結(jié)構(gòu)。

Table 1 Composition(mass fraction) of points in Fig.1

2.2 截面組織形貌

圖2中顯示了經(jīng)過5J/cm2的脈沖照射處理得到的TC11合金截面形貌。其中，合金基體為面心立方結(jié)構(gòu)，γ相中固溶了Fe,Cr,Mo 等多種元素。對合金進行微觀形貌表征可知，呈彌散態(tài)分布的γ′相尺寸在100mm～300nm范圍內(nèi)。

Fig.2 Cross section morphology of TC11 alloy irradiated by 5J/cm2

2.3 硬度分析

從表2中可以看到對TC11合金表面強脈沖激光照射處理后再對其進行顯微硬度測試所得的結(jié)果。對比照射處理前后的合金表面顯微硬度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過強脈沖激光照射處理后，材料顯微硬度明顯增大。并且當(dāng)脈沖能量密度增加后，合金顯微硬度也隨之上升。出現(xiàn)硬度上升的原因是合金表面受到照射之后發(fā)生了晶格發(fā)形變以及晶?；频慕Y(jié)果，最終引起冷加工硬化的結(jié)果。

Table 2 Surface microhardness of TC11 alloy after irradiation

2.4 抗高溫氧化性能

表3顯示了在900℃下對TC11合金進行高溫氧化處理后得到的試樣增重變化。根據(jù)變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，在氧化初始階段試樣的重量快速增加，之后氧化速率降低并達到穩(wěn)定狀態(tài)。其中，在初始氧化階段試樣表面只形成了部分氧化層，此時氧化速率取決于合金材料與氣體的反應(yīng)界面，因此具有較快的氧化速率。當(dāng)氧化時間增加后，試樣表層的氧化膜形成了完整的覆蓋情況，此時元素在氧化層內(nèi)的擴散過程對整個氧化反應(yīng)的速率起到?jīng)Q定性影響。經(jīng)過強脈沖激光照射處理后，合金試樣的抗高溫氧化性能得到了明顯的提升。

Table 3 Weight change of TC11 alloy before and after irradiation of 5J/cm2

對氧化處理100h得到的TC11合金試樣進行表面形貌觀察與EDS表征后，得到如圖3和表4所示的結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，合金表層形成的氧化物包含兩種形貌類型：第1種是顆粒狀的氧化物，第2種是具有致密結(jié)構(gòu)的層狀氧化物。對顆粒氧化物進行EDS表征可以看到，該氧化物含有O與Ni兩種元素，層狀氧化物則含有Cr,O,Al多種元素?？梢酝茢?，顆粒狀氧化物主要由NiO構(gòu)成，層狀氧化物則主要由Al2O3與Cr2O3構(gòu)成。同時還可看到，對試樣照射之后，其表面的層狀氧化物數(shù)量開始增加，說明此時的試樣表面存在更多Al2O3與Cr2O3。與原始試樣相比，經(jīng)過照射處理后，Al,Ti更易擴散到合金表層區(qū)域，形成連續(xù)性Al2O3膜。由于Al2O3與Cr2O3的致密度比NiO更高，可以對O元素的擴散過程起到更明顯的阻礙作用，使試樣氧化速率顯著減小，從而有效改善TC11合金的抗高溫氧化能力。

Fig.3 Surface morphologies of samples after oxidating for 100h

Table 4 EDS (mass fraction) of samples in Fig.3

3 結(jié) 論

經(jīng)過1J/cm2的強脈沖激光照射后，發(fā)現(xiàn)合金表面出現(xiàn)了熔融，隨著強脈沖激光照射脈沖能量密度增大，合金表層的熔坑外徑也隨之變大。經(jīng)過強脈沖激光照射處理后，合金表層形成了約1.5μm外徑的微孔，其構(gòu)成元素主要為Mg,O,S,C。

經(jīng)過5J/cm2的脈沖照射處理得到的TC11合金截面形貌呈彌散態(tài)分布,γ′相尺寸在100mm～300nm范圍內(nèi)。經(jīng)過強脈沖激光照射處理后，材料顯微硬度明顯增大。并且當(dāng)脈沖能量密度增加后，合金顯微硬度也隨之上升。

當(dāng)氧化時間增加后，試樣表層的氧化膜形成了完整的覆蓋情況。經(jīng)過強脈沖激光照射處理后，合金試樣的抗高溫氧化性能得到明顯的提升。合金表層形成的氧化物包含顆粒狀和層狀兩種形貌類型，氧化物主要由Al2O3與Cr2O3構(gòu)成。