激光噴丸強化TC6鈦合金的振動疲勞壽命及斷口形貌分析*

孟憲凱，張正燁，周建忠，楊祥偉，冷旭忞

（江蘇大學，鎮(zhèn)江 212013）

TC6 鈦合金是具有復雜顯微組織結構的雙相鈦合金，是目前被應用最廣泛的鈦合金之一，同時TC6 鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、較高的比強度和良好的韌性[1]，可在最高達到450℃溫度的狀態(tài)下工作，被廣泛用于航空航天、石油化工、海洋工程等重要零部件的制造。與傳統(tǒng)的鈦合金相比，TC6 鈦合金具備更高的抗腐蝕能[2]，但是TC6 鈦合金對缺陷極為敏感，容易在工作環(huán)境中發(fā)生開裂和斷裂失效，從而顯著降低零部件的使用壽命和安全性[3]。

激光沖擊強化技術（Laser shocking peening，LSP）作為一種新型表面處理技術，通過在材料的表面上引入殘余壓應力來提高材料的抗疲勞性能[4-5]，相比傳統(tǒng)噴丸，經(jīng)激光噴丸處理后具有更深的塑性變形層和殘余應力場[6]。因此能夠明顯改善材料的疲勞壽命和抗腐蝕性能。聶祥樊等[7]研究了激光噴丸對TC11 鈦合金的振動疲勞壽命的影響，試驗結果表明，試樣經(jīng)激光噴丸處理后材料內部晶粒發(fā)生了明顯的細化，并產(chǎn)生了高幅值的殘余壓應力，從而使得鈦合金的疲勞強度得以顯著增強。

Stolpe 等[8]基于頻響函數(shù)的分析方法評價了振動疲勞壽命，分析認為結構彈性、結構慣性以及阻尼因子等因素對材料的振動疲勞壽命產(chǎn)生影響，同時不同的激振頻率也會較大程度上影響振動疲勞裂紋的萌生與擴展。Huang 等[9]研究不同覆蓋面積激光噴丸對Ti-6Al-4V 合金疲勞響應和斷裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)LSP誘導的殘余應力和表面納米化是Ti-6Al-4V 合金疲勞性能改善的最重要因素，同時LSP 強化了合金的微觀組織。Meng[10]和Maawad 等[11]的試驗研究也表明了LSP 通過誘導表層殘余壓應力的產(chǎn)生來提高鈦合金振動疲勞性能。Kattoura 等[12]研究了激光噴丸強化對ATI 718Plus 合金高溫殘余應力、顯微組織和疲勞行為的影響，發(fā)現(xiàn)LSP 產(chǎn)生的殘余應力和穩(wěn)定的微觀結構能夠影響試樣的性能，同時提高材料疲勞壽命。國內外的眾多研究人員在關于LSP 對鈦合金的殘余應力、顯微硬度、表面形貌以及疲勞性能等研究上形成了眾多的研究成果，但是鮮少有人研究關于LSP 對于TC6 鈦合金的振動疲勞壽命影響。

本研究以TC6 鈦合金為研究對象，用高功率脈沖激光器對TC6 鈦合金進行激光噴丸強化處理，并對不同激光噴丸次數(shù)的TC6 鈦合金試樣進行振動疲勞試驗，對疲勞斷口形貌和振動疲勞壽命進行對比分析。

1 材料及試驗方法

試驗所采用的材料是TC6 鈦合金，其組成成分如表1所示，力學性能如表2所示。試驗所用的試樣是通過線切割加工成的標準振動疲勞試樣，如圖1所示。加工完成后的試樣的表面依次使用400 號、600 號、800 號、1000 號、1500 號、2000 號 的金剛石砂紙研磨，并用粒度為0.5μm的金剛石噴霧對試樣表面進行拋光處理，最后使用酒精超聲清洗，冷風吹干待用。

圖1 振動試樣的尺寸及激光噴丸區(qū)域（mm）Fig.1 Size of vibration specimen and laser peening area (mm)

表1 TC6 鈦合金元素組成（質量分數(shù)）Table 1 Composition of TC6 titanium alloy (mass fraction) %

表2 TC6 鈦合金力學性能Table 2 Mechanical properties of TC6 titanium alloy

激光噴丸試驗采用法國Thales生產(chǎn)的GAIA-R 型Nd∶YAG 激光器對試樣表面進行噴丸處理。振動試樣采取雙面噴丸的方法。激光噴丸試驗采用圓形光斑，半徑為1.5mm，光斑搭接率為50%，重復頻率為1Hz，脈沖寬度為10ns。選用鋁箔作為吸收層。選用流動水簾作為約束層，提高激光沖擊波壓力，從而強化激光噴丸的效果。根據(jù)激光噴丸時的最佳沖擊波壓力峰值在2～2.5σH（σH為動態(tài)屈服強度）內，故選用激光功率密度為5GW/cm2。

振動疲勞試驗所采用的設備為蘇州蘇試實驗儀器股份有限公司生產(chǎn)的DC-300-3 型電磁振動系統(tǒng)。為了研究LSP 前后試樣在共振狀態(tài)下振動疲勞特性，使用模態(tài)檢測系統(tǒng)測試振動試樣的一階固有頻率，在試驗過程中要每隔10 萬次對試樣進行固有頻率的測試，并將其設置為下一周期的振動頻率[13]。

顯微硬度測試使用上海泰明光學儀器有限公司生產(chǎn)的HXD-1000 TMSC/LCD 型顯微硬度測量儀，測量不同激光噴丸次數(shù)下試樣的表面以及截面，測試路線如圖2所示。在顯微硬度測試時，對TC6 鈦合金施加500gf 的力并保持時10s。在噴丸區(qū)域上每50μm 測試3 個點，并取3 個點的平均值，作為最終的顯微硬度值。

圖2 顯微硬度測試示意圖（mm）Fig.2 Schematic diagram of microhardness test (mm)

殘余應力測試使用PROTO 公司生產(chǎn)的LXRD 型應力儀，分別從TC6 鈦合金試樣表面和截面方向上測量，用電解拋光的方式測量試樣截面方向的殘余應力。

使用JEM-1200EX 型透射電子顯微鏡（TEM）觀察試樣截面的微觀組織，制樣步驟分以下3 步：（1）使用線切割將試樣表層切成500μm 厚的薄片；（2）將其手工打磨至厚度≤30μm，并制成直徑為3mm的圓片；（3）將圓片離子減薄至≤200nm 的厚度。

2 結果與討論

2.1 微觀組織

圖3為不同噴丸次數(shù)下LSP 后TC6 鈦合金的微觀組織圖?？梢钥闯?，不同噴丸次數(shù)明顯改善了TC6鈦合金的微觀組織，尤其是TC6 鈦合金的位錯形態(tài)。在1 次LSP 時，TC6 鈦合金表層出現(xiàn)了相對密集的位錯線，同時一些位錯線發(fā)生了聚集；當經(jīng)過2 次LSP 后，位錯線出現(xiàn)了纏繞，聚集的更為密集，并且位錯線的聚集形成了相對較小的位錯胞；在3 次LSP 后，組織中位錯胞結構逐步演變成納米晶；當試樣經(jīng)過5 次LSP 時，TC6 鈦合金內部的位錯密度繼續(xù)增加，位錯密度的增加導致位錯纏結和滑移帶的形成，且更多的位錯胞轉變?yōu)榧{米晶。

圖3 不同激光噴丸次數(shù)的試樣微觀組織Fig.3 Microstructure of samples with different laser shocking peening times

2.2 殘余應力分析

不同噴丸次數(shù)對TC6 鈦合金截面殘余應力的影響如圖4所示。對比1 次激光噴丸和3 次激光噴丸可以看出，增加激光噴丸次數(shù)有效提高了TC6 鈦合金表層產(chǎn)生的最大殘余壓應力，提高了60MPa。TC6 鈦合金在LSP 后產(chǎn)生的殘余壓應力主要集中在近表面附近，同時殘余壓應力的最大值出現(xiàn)在試樣的表層。而在深度方向上，殘余壓應力隨著離表層的距離增大而減小。多次激光噴丸后，試樣表層的殘余壓應力增大，并且也增加了殘余壓應力的影響層的深度。通過試驗結果分析得出，激光噴丸2 次、5 次與1 次對比，試樣表層產(chǎn)生的最大殘余壓應力各增加了16MPa 和85MPa，結果表明，激光噴丸次數(shù)的增加可以有效提高TC6 鈦合金的殘余壓應力。當激光噴丸后殘余應力為-50MPa 時，激光噴丸1次、2 次、3 次和5 次的深度分別為455μm、500μm、550μm、570μm，由此可以看出增加激光噴丸次數(shù)可以有效增加殘余壓應力的影響深度。

圖4 不同激光噴丸次數(shù)后沿截面方向殘余應力分布Fig.4 Residual stress distribution along the section after different laser shocking peening times

2.3 顯微硬度

圖5顯示不同噴丸次數(shù)對TC6鈦合金的表面和截面方向上的顯微硬度的影響，從表面和截面上均可以看出激光噴丸部分的顯微硬度要遠高于未激光噴丸部分的顯微硬度。由圖5（a）中可以看出，當激光噴丸次數(shù)增加時，不同噴丸次數(shù)下試樣表面的平均顯微硬度均隨著激光噴丸次數(shù)的增加而增大。由圖5（b）中可知，在試樣的截面方向上，當激光噴丸次數(shù)逐漸增加時，LSP 引起的硬化層深度也逐步加深，同時當深度達到650μm 時，試樣截面方向上的顯微硬度逐接近基體硬度，激光噴丸對該深度產(chǎn)生的影響較小。

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，增加激光噴丸次數(shù)，有效增強了試樣表層的顯微硬度，同時也可以不斷增加硬化層的深度。然而增加激光噴丸次數(shù)，TC6鈦合金的顯微硬度及其影響層深度的增長趨勢卻不斷減小。對比不同噴丸次數(shù)下的硬化層深度，增加激光噴丸次數(shù)對硬化層深度的增長趨勢也逐漸變小[14]，激光噴丸對硬化層深度的影響趨于飽和。

圖5 不同激光噴丸次數(shù)下的顯微硬度分布Fig.5 Micro-hardness distribution under different laser shocking peening times

2.4 振動疲勞特性分析

未噴丸和不同噴丸次數(shù)下的試樣的振動疲勞壽命如圖6所示。TC6鈦合金在經(jīng)過1 次LSP 后，其振動疲勞壽命為1425697（時間單位）；經(jīng)過2 次、3 次和5 次LSP 試樣的振動疲勞壽命逐漸增加，由此可以看出，與未噴丸處理的振動試樣相比，多次LSP 可以有效提高試樣的振動疲勞壽命，同時增加激光噴丸次數(shù)也提高了試樣的振動疲勞壽命。

圖6 不同激光噴丸次數(shù)的試樣振動疲勞壽命Fig.6 Vibration fatigue life of specimens with different laser shocking peening times

根據(jù)上述試驗結果發(fā)現(xiàn)，當增加激光噴丸次數(shù)，激光沖擊波使材料表層產(chǎn)生的塑性形變加劇，塑性變形可以促進α 相、β 相之間的相互影響，從而使得材料內部產(chǎn)生更多位錯，進而使得材料的晶粒發(fā)生明顯細化。同時晶粒細化后內部的晶界數(shù)量增多，晶界可以阻滯位錯的滑移，從而提高材料的強度，延長材料的振動疲勞壽命。

2.5 振動疲勞斷口形貌

為了能夠更好地分析疲勞壽命的變化，采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察振動疲勞斷口的形貌。圖7為在不同激光噴丸次數(shù)下的TC6 鈦合金疲勞裂紋擴展區(qū)的斷口形貌，可以看出TC6 鈦合金振動疲勞試樣斷口中的裂紋擴展取向[15]，在不同激光噴丸次數(shù)后TC6 鈦合金的疲勞裂紋擴展區(qū)均出現(xiàn)了比較密集的疲勞條帶和臺階[16]。由圖7（a）可以看出，在經(jīng)過1 次LSP 后TC6 鈦合金的疲勞裂紋沿著與片層平行的方向擴展，并且其擴展路徑均勻平整，此時測得疲勞條帶平均間距為0.89μm。比較圖7（b）～（d）可以看出，TC6 鈦合金試樣在不同激光噴丸次數(shù)后的斷口中產(chǎn)生了有許多的疲勞臺階，并且在不同激光噴丸次數(shù)下試樣斷口中的疲勞條帶平均間距也分別有所下降。根據(jù)相關試驗研究可知[17]，材料斷裂過程中的疲勞裂紋擴展率可以通過斷口中的疲勞條帶間距得出，因此推斷可知未經(jīng)過LSP 的TC6 鈦合金試樣的疲勞裂紋擴展率相對較快，而LSP 后的試樣疲勞裂紋擴展率得到降低，這可以說明LSP 可以有效降低試樣的疲勞裂紋擴展率。由于TC6 鈦合金內部因變形不均勻導致應力集中[18]，使得試樣在斷裂過程中疲勞裂紋難以擴展，同時有很多疲勞臺階的產(chǎn)生，最終使得疲勞裂紋擴展速率下降。

圖8為不同噴丸次數(shù)后TC6鈦合金瞬斷區(qū)的斷口形貌，斷口形貌主要為韌窩，表現(xiàn)為相對集聚的微孔[19]。可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光噴丸次數(shù)的增加，試樣斷口中韌窩尺寸在不斷增長。多次LSP 使TC6 鈦合金振動試樣內部獲得了更為復雜的應力狀態(tài)，從而加大韌窩的尺寸以及改變了形貌，說明多次LSP 可以有效增強TC6 鈦合金試樣的斷裂韌性。

圖8 不同激光噴丸次數(shù)下TC6 鈦合金瞬斷區(qū)的斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of the instantaneous zone of TC6 titanium alloy under different laser shocking peening times

2.6 LSP 后試樣的振動疲勞斷裂過程

根據(jù)TC6 鈦合金試樣的疲勞斷口形貌，可以推斷出TC6 鈦合金在LSP 前后振動疲勞斷口形貌的演變規(guī)律，如圖9所示。

圖9 激光噴丸前后TC6 鈦合金疲勞斷口形貌演變過程Fig.9 Progression process of fatigue fracture morphology of TC6 titanium alloy before and after laser shocking peening

可以看出，TC6 鈦合金試樣會在疲勞裂紋擴展時期產(chǎn)生疲勞條帶。對比未噴丸的TC6 鈦合金試樣，LSP減小了TC6 鈦合金的疲勞條帶間距（Fatigue striation spacing，F(xiàn)SS），這說明LSP 可以有效減低TC6 鈦合金試樣的疲勞裂紋擴展率[20]。圖9（b）～（d）對比可以看出，當激光噴丸次數(shù)增加時，TC6 鈦合金試樣斷口中疲勞條帶間距減小，這說明激光噴丸次數(shù)的增加可以有效減低TC6 鈦合金的疲勞條帶的間距，同時多次激光噴丸抑制了TC6 鈦合金在內部疲勞裂紋的擴展，從而阻礙了試樣的疲勞裂紋的擴展。

3 結論

研究了TC6 鈦合金在不同激光噴丸次數(shù)下的振動疲勞壽命以及斷口形貌，分析了LSP 對TC6 鈦合金振動疲勞特性的影響，主要得到以下結論：

（1）TC6 鈦合金經(jīng)過LSP 后誘導表層產(chǎn)生殘余壓應力，內部產(chǎn)生高密度位錯，從而抑制試樣中疲勞裂紋的萌生和擴展，延長TC6 鈦合金的振動疲勞壽命。

（2）LSP 后TC6 鈦合金的殘余壓應力幅值隨著噴丸次數(shù)的增加而提高，并且增加激光噴丸次數(shù)可以有效增加殘余壓應力的影響深度。

（3）LSP 可以有效提高TC6 鈦合金的顯微硬度，同時經(jīng)過不同噴丸次數(shù)后，表層和截面方向上的顯微硬度顯著增大，硬化層的深度也加深。

（4）TC6 鈦合金在LSP 后塑性變形加劇，使高密度位錯線開始聚集形成位錯胞，隨后位錯胞逐漸演變成位錯墻，從而逐漸演變成納米晶，進而改善材料的力學性能。

（5）LSP 后隨著噴丸次數(shù)的增加，可以增大TC6 鈦合金斷口中瞬斷區(qū)的韌窩尺寸，同時韌窩形貌更加復雜，因此提高了材料的斷裂韌性。