激光沖擊強(qiáng)化對片層TC11鈦合金組織和性能的影響

陳正閣，武永麗，薛全喜，熊毅,3，王淏

激光表面改性技術(shù)

激光沖擊強(qiáng)化對片層TC11鈦合金組織和性能的影響

陳正閣1，武永麗2，薛全喜1，熊毅2,3，王淏1

（1. 西北核技術(shù)研究所，激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710024；2.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；3.有色金屬新材料與先進(jìn)加工技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023）

提高TC11鈦合金的使役性能，對LSP技術(shù)在鈦合金航空構(gòu)件上的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支撐。利用激光沖擊強(qiáng)化（LSP）技術(shù)對片層組織的TC11鈦合金進(jìn)行表面納米化處理，激光能量為6 J，脈寬為20 ns，光斑直徑為3 mm，搭接率為50%。借助X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線應(yīng)力分析儀、顯微硬度計(jì)及拉伸試驗(yàn)機(jī)對TC11鈦合金LSP前后的微觀組織及力學(xué)性能進(jìn)行表征。經(jīng)LSP處理后，在TC11鈦合金表層形成了梯度納米結(jié)構(gòu)，其中外表層晶粒尺寸約為10 nm，形變層厚度約為200 μm；在次表層組織中形成了大量位錯纏結(jié)、形變孿晶及層錯等晶體亞結(jié)構(gòu)缺陷。LSP后鈦合金表層存在著最大殘余壓應(yīng)力（–267 MPa）和顯微硬度值（425HV），且隨著距表層距離的增大，相應(yīng)的數(shù)值均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。此外，LSP后TC11鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高了19.4%、18.3%，但伸長率略有下降，斷口形貌從典型的韌性斷裂向準(zhǔn)解理和韌性混合型斷裂轉(zhuǎn)變。在LSP作用下獲得的梯度納米結(jié)構(gòu)和殘余壓應(yīng)力的共同作用下，TC11鈦合金獲得了良好的強(qiáng)度–塑性匹配。

激光沖擊強(qiáng)化（LSP）；TC11鈦合金；梯度納米結(jié)構(gòu)；微觀組織；力學(xué)性能；殘余應(yīng)力

TC11鈦合金是一種α+β型熱強(qiáng)鈦合金，由于其具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的抗蠕變性能及良好的熱穩(wěn)定性[1]，被廣泛應(yīng)用于壓氣機(jī)盤、葉片、葉盤等重要航空結(jié)構(gòu)件的制造[2-3]。然而，鈦合金對微小的缺陷和應(yīng)力集中非常敏感[4]，這些重要零部件長期在惡劣的環(huán)境下工作，經(jīng)常承受交變載荷、振動載荷、高溫高壓的耦合作用[5]，容易造成材料表面不同程度的損傷，從而使得構(gòu)件在使用過程中過早失效，造成材料大量浪費(fèi)的同時給人身安全帶來了極大的隱患。故而通過表面強(qiáng)化技術(shù)改善鈦合金構(gòu)件的微觀組織及其相應(yīng)的力學(xué)性能，進(jìn)而延長其使用壽命和增加設(shè)備使用可靠性是材料科學(xué)工作者面臨的首要問題。

近年來，材料科學(xué)工作者利用表面強(qiáng)化技術(shù)在改善TC11鈦合金組織和性能方面做了大量工作。李衛(wèi)等[6]采用表面噴丸強(qiáng)化技術(shù)（SP）對TC11鈦合金進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理，發(fā)現(xiàn)在殘余壓應(yīng)力場和表層細(xì)化組織的共同作用下，TC11鈦合金的疲勞壽命提高了12.5%。Zhao等[7]利用超聲表面滾壓技術(shù)（UIRP）使得TC11鈦合金的疲勞強(qiáng)度提高了19.3%，歸因于UIRP后獲得的梯度納米結(jié)構(gòu)、高幅值殘余壓應(yīng)力、顯著的加工硬化效果和低表面粗糙度。由此可以看出，傳統(tǒng)的噴丸、超聲表面滾壓技術(shù)的確能夠改善TC11鈦合金的力學(xué)性能，但也存在著殘余壓應(yīng)力場深度較淺或表面粗糙度增大等問題。激光沖擊強(qiáng)化（LSP）是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，其能在不明顯增大構(gòu)件表面粗糙度的情況下獲得距離更深、幅值更大的殘余壓應(yīng)力場[8]，還具有作用時間短、能量利用率高、可控性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[9]。它的基本原理是采用短脈沖的高頻、高功率的激光誘導(dǎo)形成的高溫高壓等離子體沖擊波作用于金屬材料表面，使材料表面發(fā)生超高應(yīng)變速率變形，并形成具有一定深度的殘余壓應(yīng)力場和組織細(xì)化的形變層，從而提高構(gòu)件的抗疲勞性能、抗應(yīng)力腐蝕性能和抗磨損等性能[10-11]。Nie等[12]發(fā)現(xiàn)，3次LSP后，TC11鈦合金晶粒達(dá)到納米尺寸，并產(chǎn)生高幅值殘余壓應(yīng)力，使得高周疲勞性能提高。Yang等[13]的研究結(jié)果表明，LSP功率密度在合適范圍內(nèi)時，TC11鈦合金試樣微動疲勞壽命的改善效果最好，隨著功率密度的增大，易造成材料表面出現(xiàn)損傷，進(jìn)而降低其疲勞壽命。Ren等[14]研究了LSP對TC11鈦合金表面完整性及磨損性能的影響，LSP后引起的低表面粗糙度、高的表面顯微硬度和殘余壓應(yīng)力對磨損性能的改善具有重要意義。Tong等[15]認(rèn)為，LSP在TC11合金表層獲得的納米組織、殘余壓應(yīng)力、低的粗糙度和高的顯微硬度能夠顯著改善TC11鈦合金熱腐蝕行為。

從上述研究背景可知，目前采用LSP來改善TC11鈦合金性能的研究較多，但大多以等軸組織的TC11鈦合金為研究對象，而使用片層組織作為原始組織的LSP研究相對較少。等軸組織塑性和疲勞性能良好，但是抗裂紋擴(kuò)展能力較差。相反，片層組織的塑性、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性較差，但其斷裂韌性、抗裂紋擴(kuò)展能力、持久性和蠕變強(qiáng)度非常好[16]。由此可知，片層組織相對于等軸組織具有更好的抗裂紋擴(kuò)展能力，可使得在疲勞斷裂的第二階段的壽命提高，結(jié)合表面改性后疲勞源移至次表層，可大大提高TC11鈦合金的整體疲勞壽命。因此本文采用原始組織為片層狀的TC11鈦合金為研究對象，對比研究LSP前后TC11鈦合金組織和性能的變化，對擴(kuò)大LSP表面改性技術(shù)在鈦合金航空構(gòu)件上的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)所用的商用TC11鈦合金板材的主要化學(xué)元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Al 6.50%，Mo 3.50%，Zr 1.50%，Si 0.30%，Ti為余量，由寶雞市程錦鈦業(yè)有限公司提供。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，把尺寸為300 mm× 200 mm×37 mm的TC11鈦合金板材放入氬氣保護(hù)的真空爐中進(jìn)行雙重退火處理（970 ℃保溫1.5 h，空冷；530 ℃保溫6 h，空冷），以得到TC11鈦合金片層組織。

1.2 方法

切取如圖1a所示的拉伸試樣，將其經(jīng)機(jī)械研磨拋光處理后，固定在-方向可以自由移動的移動平臺上，對其一面進(jìn)行LSP處理，沖擊完畢后，對另一面進(jìn)行沖擊，紅色區(qū)域?yàn)榧す鉀_擊區(qū)域，激光沖擊強(qiáng)化光斑的行進(jìn)軌跡如圖1b所示。選用YS100- R200A型激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備，具體參數(shù)：波長為 1 064 nm，能量為6 J，脈寬為20 ns，光斑直徑為 3 mm，頻率為3 Hz，功率密度為4.8 GW/cm2，加工定位精度≤0.10 mm，搭接率為50%，采用黑膠帶和1～2 mm的水分別作為吸收層和約束層，如圖2所示。

圖1 拉伸試樣尺寸（a）及光斑行進(jìn)軌跡（b）（mm）

圖2 LSP示意圖

對LSP前后TC11鈦合金的物相組成，橫截面、表層、次表層的微觀組織形貌（SEM、TEM）進(jìn)行分析，試樣的具體制備方法及所用的設(shè)備參見文獻(xiàn)[17]。LSP前后距表層不同深度處的殘余應(yīng)力利用X-350A X射線應(yīng)力分析儀進(jìn)行測試，取距強(qiáng)化區(qū)域中心位置對稱的2個位置測量值的平均值作為此層深處的最終殘余應(yīng)力值。其應(yīng)力衍射儀參數(shù)選擇Cu Kα射線，衍射晶面為α(213)，X射線管電壓為27 kV，管電流為7 mA，管直徑為4 mm，傾側(cè)角角度選擇為0°、15°、30°、45°。用MH-3型顯微硬度計(jì)在載荷為200 g、加載時間為10 s的參數(shù)下對TC11鈦合金LSP前后距表層不同深度處（橫截面）的顯微硬度進(jìn)行測定，選取同一深度5個不同點(diǎn)硬度值的平均值作為試樣此層深處的顯微硬度值。采用Instron 5587型拉伸試驗(yàn)機(jī)，以0.5 mm/min的拉伸速度對TC11鈦合金LSP前后的拉伸性能進(jìn)行測試。最后，TC11鈦合金LSP前后的拉伸試樣斷口形貌借助JSM-IT100型SEM進(jìn)行分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 組織演變

2.1.1 XRD分析

LSP前后TC11鈦合金的XRD圖譜見圖3。由圖3a可知，雙重退火態(tài)TC11鈦合金由密排六方結(jié)構(gòu)的α相與體心立方結(jié)構(gòu)的β相組成，其中最強(qiáng)的衍射峰為α相衍射峰。經(jīng)LSP處理后，無新的衍射峰產(chǎn)生，即無相變或新相產(chǎn)生。圖3b為34°～42°內(nèi)局部放大的XRD圖譜，可以發(fā)現(xiàn)，相較于LSP前，LSP后TC11鈦合金的衍射峰峰形雖無明顯變化，但其衍射峰位置整體向左移動了一定角度的同時，其半高寬明顯寬化，表明TC11鈦合金在高能量沖擊波的作用下，表層晶粒細(xì)化的同時，晶格畸變導(dǎo)致微觀應(yīng)變增加[18]。

圖3 LSP前后TC11 鈦合金XRD 圖譜

基于Williamson-Hall（W-H）方法[19]分析衍射峰，進(jìn)一步評估LSP前后TC11鈦合金表層晶粒的微觀應(yīng)變變化：

式中：為衍射峰的半高寬（FWHM）；=0.9；為X射線波長，=0.154 06 nm；為平均晶粒尺寸；為Bragg衍射角；為微觀應(yīng)變。

通過式（1）計(jì)算可得LSP前后TC11鈦合金表層晶粒的微觀應(yīng)變分別為0.12%、0.37%，從而可知LSP后，TC11鈦合金表層晶粒的微觀應(yīng)變值大幅度增加，相比未處理前增加了2.08倍。

2.1.2 LSP前后組織形貌

TC11鈦合金LSP前后的表面粗糙度如圖4a、b所示?？梢钥闯?，未經(jīng)LSP處理的TC11鈦合金試樣表面僅存在磨削產(chǎn)生的劃痕，其三維表面粗糙度為0.564 μm（見圖4a）。經(jīng)LSP處理后，由于激光光斑能量的高斯分布特征，TC11鈦合金表面的塑性變形不均勻，形成了表面沖擊凹谷（見圖4b），三維表面粗糙度略微增大，為0.571 μm。表面粗糙度增大可能使TC11鈦合金表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，誘導(dǎo)表面萌生裂紋，從而對TC11鈦合金的抗疲勞性能產(chǎn)生不利影響。但是，LSP處理相對于傳統(tǒng)SP獲得的試樣表面更加均勻，表面峰谷值更小，表面質(zhì)量更好[20]。圖4c是TC11鈦合金LSP前雙重退火后的金相組織形貌。TC11鈦合金經(jīng)雙重退火處理后，呈現(xiàn)出典型的片層組織形貌，白色發(fā)亮的部位為α相，較暗的則為β相。原始粗大的β晶界完整清晰可見，且在其晶界附近可觀察到轉(zhuǎn)變未完全的短棒狀α相。此外，原始β晶粒尺寸較大，平均晶粒尺寸約為100 μm，其內(nèi)具有較多細(xì)長平直、取向相同且平行的片狀α相組成的“束集”，取向各異。圖4d為經(jīng)LSP表面強(qiáng)化后TC11鈦合金的組織形貌。LSP表面強(qiáng)化后在高能量沖擊波的作用下，TC11鈦合金的組織形貌發(fā)生了顯著的變化，可觀察到激光沖擊波在TC11鈦合金表面留下的微凹坑及相應(yīng)的塑性變形層，說明沖擊波的峰值壓力超過了TC11鈦合金的屈服強(qiáng)度，使得TC11鈦合金發(fā)生了劇烈的塑性變形，塑性變形層的厚度約為200 μm。另外可以發(fā)現(xiàn)，外表層β片層間距很小，晶界幾乎不能分辨，且局部出現(xiàn)彎曲、扭折等現(xiàn)象。隨著距離表層距離的增大，高能高壓等離子體沖擊波沿沖擊方向在材料內(nèi)部逐漸衰減，變形程度逐漸減弱，片層間距逐漸增大，直至恢復(fù)至基體組織形貌。

圖4 LSP前后TC11鈦合金的組織形貌

Fig.4 Microstructure morphologies of TC11 titanium alloy before and after LSP: a) surface 3D morphology before LSP; b) surface 3D morphology after LSP; c) SEM morphology before LSP; d) SEM morphology after LSP

2.1.3 表層TEM微觀組織形貌

在高能沖擊波的作用下，TC11鈦合金LSP前后表層的TEM微觀組織形貌如圖5所示。從圖5a中可以看出，TC11鈦合金雙重退火后具有明顯的片層組織特征，與圖4c相對應(yīng)。圖5a中白色襯度的為α相，暗色襯度的為β相，此時看到α相及α/β界面處中僅有少許位錯纏結(jié)產(chǎn)生。圖5b、c分別為TC11鈦合金LSP后表層組織的明場像及暗場像，LSP后表層組織中有大量位錯纏結(jié)產(chǎn)生，層片狀的α相和β相晶粒發(fā)生了嚴(yán)重的碎化，轉(zhuǎn)變成為細(xì)小的等軸狀晶粒。在選區(qū)電子衍射（SAED）花樣（圖5b插圖）中的連續(xù)環(huán)證實(shí)了晶粒結(jié)構(gòu)已被細(xì)化到納米尺度，并且晶粒具有相對隨機(jī)的方向分布[21]。從圖5d晶粒尺寸分布直方圖可以發(fā)現(xiàn)，晶粒尺寸大多在10 nm左右。越靠近表層，應(yīng)變量和應(yīng)變速率越大，塑性變形程度越嚴(yán)重。大量的位錯在沖擊波波陣面上形成，并在沖擊波的作用下進(jìn)行滑移?；七^程中，受到多方向沖擊載荷的作用，形成位錯纏結(jié)、位錯墻、位錯胞、孿晶等亞結(jié)構(gòu)缺陷。在進(jìn)一步的激光沖擊作用下，孿晶分割和位錯滑移協(xié)調(diào)變形，形成小角度亞晶界。隨著變形的持續(xù)進(jìn)行，小角度晶界逐漸演變?yōu)榇蠼嵌染Ы?，?dāng)位錯的產(chǎn)生和湮滅速率達(dá)到平衡時，晶粒不再發(fā)生細(xì)化。晶粒越細(xì)小，越容易發(fā)生轉(zhuǎn)動，因此在激光沖擊作用下，晶粒最終細(xì)化為具有隨機(jī)取向的等軸納米晶[22-24]。

圖5 LSP前后表層微觀組織TEM形貌及LSP后的晶粒尺寸分布

2.1.4 次表層TEM微觀組織形貌

TC11鈦合金LSP前后次表層微觀組織的TEM形貌如圖6所示。圖6a為TC11鈦合金雙重退火后次表層組織形貌，與雙重退火后表層組織（見圖4a）相比無明顯差異，此時也僅有少量的位錯纏結(jié)發(fā)生。圖6b、c為TC11鈦合金LSP后次表層微觀組織，LSP后TC11鈦合金次表層組織晶粒沒有達(dá)到完全納米化，但相較于TC11鈦合金LSP前的組織形貌，此時組織中產(chǎn)生大量的晶體缺陷。從圖6b、c中看到，位錯滑移在α/β界面處受阻，形成大量的位錯纏結(jié)，以及在α基體上有大量層錯及形變孿晶出現(xiàn)。TC11鈦合金α相屬于密排六方結(jié)構(gòu)，層錯能相對較低。低層錯能材料中的位錯容易分解，在激光沖擊波的作用下進(jìn)一步促進(jìn)了位錯發(fā)生分解，從而在α基體上有大量層錯產(chǎn)生。位錯分解之后，難以發(fā)生交滑移，且位錯運(yùn)動容易受到阻礙，使塑性變形受阻。為了協(xié)調(diào)塑性變形，往往需要啟動多個滑移系，然而當(dāng)在沖擊波的作用下，應(yīng)力方向無法滿足多個滑移系同時啟動時，可能發(fā)生變形機(jī)制的轉(zhuǎn)換（如圖6b孿晶變形）[25]。形變孿晶界與晶界類似也可阻礙位錯運(yùn)動，提高材料強(qiáng)度，同時可作為位錯滑移面提供較多的位錯存儲空間，改善材料塑性。形變孿晶出現(xiàn)于次表層，而在表層中未觀察到，可能與應(yīng)變速率有關(guān)。LSP 過程中TC11鈦合金表面受到強(qiáng)烈的沖擊載荷，導(dǎo)致TC11鈦合金以極高的應(yīng)變速率發(fā)生塑性變形，致使多個孿晶系統(tǒng)活動，但晶粒細(xì)化程度較大，使得孿晶難以存留[26]。從圖6b、c中可觀察到大量的亞晶界，從圖6c紅色橢圓區(qū)域還觀察到了片層β相發(fā)生了明顯斷裂，這可能是沖擊波作用方向正好垂直于此β片層組織取向，使得片層β相在沖擊波作用下發(fā)生斷裂。

圖6 LSP前（a）后（b—c）次表層微觀組織的TEM形貌

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 殘余應(yīng)力

LSP前后TC11鈦合金距表層不同深度處的殘余應(yīng)力分布如圖7所示。由圖7可知，LSP前TC11鈦合金表層存在輕微的拉應(yīng)力，在8 MPa左右，這可能與機(jī)械加工有關(guān)[27]。經(jīng)LSP處理后，在TC11鈦合金表層形成了殘余壓應(yīng)力，且最大值為－267 MPa。殘余壓應(yīng)力的形成與塑性變形和體積限制的組合效應(yīng)有關(guān)[28]。在LSP處理過程中，當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過TC11鈦合金的動態(tài)屈服強(qiáng)度時，TC11鈦合金表層發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形（如圖4d所示），誘導(dǎo)產(chǎn)生高密度位錯，位錯經(jīng)過進(jìn)一步運(yùn)動、重排等過程引起晶格畸變，儲存了畸變能。同時，亞晶發(fā)生轉(zhuǎn)動，擇優(yōu)取向而降低了系統(tǒng)的能量，提高了晶粒間的結(jié)合力，儲存了變形能，由此產(chǎn)生了平行于表層的殘余拉應(yīng)力。根據(jù)力學(xué)效應(yīng)的反作用原理[29]，LSP后TC11鈦合金嚴(yán)重塑性變形區(qū)域受到周圍未發(fā)生塑性變形基體材料的限制作用，從而在表面形成了具有一定深度的殘余壓應(yīng)力場。殘余壓應(yīng)力場的出現(xiàn)可平衡構(gòu)件在載荷作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，可阻礙裂紋擴(kuò)展及封閉裂紋，從而延長構(gòu)件的使用壽命[30]。隨著距表層距離的增大，殘余壓應(yīng)力值逐漸減小。這與沖擊波向TC11 鈦合金內(nèi)部傳遞的過程中能量逐漸衰減有關(guān)，離表層距離越遠(yuǎn)，變形程度越弱，因此殘余壓應(yīng)力值也越來越小。

圖7 LSP前后TC11鈦合金距表層不同深度處的殘余應(yīng)力分布

可以發(fā)現(xiàn)，TC11鈦合金LSP處理后最大殘余壓應(yīng)力位于表層，而傳統(tǒng)噴丸后通常在材料內(nèi)部引入最大殘余應(yīng)力值位于次表層的壓應(yīng)力場[31]，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因主要與熱效應(yīng)有關(guān)[32]。傳統(tǒng)噴丸是采用大量的高速彈丸直接撞擊材料表面，使晶粒產(chǎn)生嚴(yán)重畸變。當(dāng)應(yīng)變速率過高，彈丸沖擊力來不及向周圍材料快速傳遞時，引起能量升高，導(dǎo)致表層溫度上升，從而發(fā)生動態(tài)回復(fù)現(xiàn)象，使表面殘余壓應(yīng)力松弛，最大殘余壓應(yīng)力移至次表層。LSP屬于典型的冷加工，與材料表面無接觸、無熱影響區(qū)、獲得的殘余應(yīng)力穩(wěn)定性較好。采用無涂層激光沖擊強(qiáng)化獲得的最大殘余壓應(yīng)力也位于材料次表面，該技術(shù)能以較低的功率和較短的脈沖持續(xù)時間誘導(dǎo)材料表面發(fā)生局部熔化并重新凝固，可能在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而使最大殘余壓應(yīng)力位于次表層[33]。

2.2.2 顯微硬度

LSP前后TC11鈦合金顯微硬度–距表層深度的關(guān)系如圖8所示。從圖8中可以看出，LSP前，距表層各深度處的顯微硬度值大致相同，為336HV。經(jīng)LSP處理后，表層的顯微硬度值明顯增大至最大值，為425HV，相對于LSP前，硬度值的增幅約為26.5%。TC11鈦合金表層在激光沖擊波作用下發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，引起位錯在TC11鈦合金晶粒內(nèi)部萌生并增殖，形成的高密度位錯增大了位錯運(yùn)動的阻力，進(jìn)而發(fā)生加工硬化現(xiàn)象；此外，在位錯機(jī)制的作用下，表層晶粒納米化，晶粒細(xì)化后，晶界增多，增強(qiáng)了晶粒間的結(jié)合力[34]，兩方面共同作用均可導(dǎo)致硬度增大。表層顯微硬度的顯著提高，說明了經(jīng)LSP處理后，TC11鈦合金的疲勞抗力增加以及表面局部強(qiáng)度得以提高[35]。還可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)LSP處理后，距表層不同深度處顯微硬度值的變化趨勢呈梯度變化，與Luo等[36]報道的一致，LSP后顯微硬度值隨著距表層深度的增加而減小，在距表層200 μm內(nèi)顯微硬度值急劇降低，而后逐漸減小至基體硬度值左右后不再變化。隨著距表層深度的增加，激光沖擊能量逐漸衰減，引起的塑性變形量也越小，從而使加工硬化和晶粒細(xì)化程度減小，硬度值也逐漸降低至基體硬度值。

圖8 LSP前后TC11鈦合金顯微硬度–距表層深度關(guān)系

2.2.3 拉伸性能

LSP前后TC11鈦合金的拉伸性能如圖9所示。TC11鈦合金LSP前后的抗拉強(qiáng)度分別為1 083、1 293 MPa，屈服強(qiáng)度分別為982、1 162 MPa，伸長率分別為12.86%、11.71%，LSP后抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率的增幅分別為19.4%、18.3%、－8.9%。由此可知，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，伸長率略有下降，但仍大于7%，滿足鈦合金構(gòu)件的使用要求[18]。LSP處理過程中形成的等離子體吸收激光能量迅速膨脹，并以沖擊波的形式作用于TC11鈦合金表面，使TC11鈦合金表面產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，形成梯度納米結(jié)構(gòu)。TC11鈦合金表層在超高應(yīng)變速率的作用下，形成納米晶以及高密度位錯（見圖5b、c），同時晶粒細(xì)化可使位錯平均自由程降低。根據(jù)式（2）[37]可評估材料的強(qiáng)度。

式中：σf為強(qiáng)度；σ0為摩擦應(yīng)力；k為Hall-Petch常數(shù)；dfp為位錯平均自由程；G為剪切模量；b為柏氏矢量；ρ為位錯密度。

根據(jù)式（2），TC11鈦合金經(jīng)LSP后，表層的位錯密度增大，位錯平均自由程降低，因此LSP后TC11鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯提高。隨著應(yīng)變速率的降低，次表層形成位錯纏結(jié)、形變孿晶等晶體缺陷（見圖6b），孿晶界和位錯的交互作用可使位錯平均自由程降低，使得TC11鈦合金的強(qiáng)度提高。同時，次表層中的孿晶界可以作為位錯發(fā)射源，從而提供更多的移動位錯，可維持TC11鈦合金拉伸過程中的塑性變形，提高材料的塑性[38]。內(nèi)部粗晶組織在拉伸過程中表現(xiàn)出良好的拉伸應(yīng)變和加工硬化能力，結(jié)合表層的納米組織形成的梯度納米結(jié)構(gòu)抑制了拉伸變形過程中表層納米結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的應(yīng)變集中和早期頸縮，進(jìn)而防止變形局域化和裂紋過早萌生[39]。另一方面，LSP后形成的殘余壓應(yīng)力場平衡了拉伸過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，能夠抑制裂紋擴(kuò)展甚至封閉裂紋[40]。在這些因素的共同作用下，LSP處理使得TC11鈦合金獲得了良好的強(qiáng)度–塑性匹配。

2.2.4 拉伸斷口形貌

LSP前后TC11鈦合金的拉伸斷口形貌如圖10所示。觀察圖10a可知，LSP前TC11鈦合金斷口上密布著大小不一的韌窩，平均韌窩尺寸大約為5 μm，呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征。TC11鈦合金經(jīng)LSP強(qiáng)化后，斷口形貌則呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理和韌性混合型斷裂特征（見圖10b），嚴(yán)重塑性變形層深度大約為75 μm，其中準(zhǔn)解理斷裂主要集中于此區(qū)域。在此區(qū)域可以看到大面積的解理面和少量韌窩，明顯與內(nèi)部基體斷口形貌中出現(xiàn)大量韌窩的現(xiàn)象不同，該現(xiàn)象與Yang 等[18]HESP處理TC17鈦合金的研究結(jié)果相吻合。引起該現(xiàn)象的原因是TC11鈦合金在LSP強(qiáng)化作用下內(nèi)部形成的梯度納米結(jié)構(gòu)，在拉伸應(yīng)力的作用下表層的納米晶抑制了位錯滑移，僅發(fā)生晶粒旋轉(zhuǎn)和晶界移動，塑性變形不完全，從而使表層斷口形貌向準(zhǔn)解理斷裂轉(zhuǎn)變；而內(nèi)部粗晶組織具有良好的塑性變形能力，仍呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

圖10 LSP前后TC11鈦合金的斷口形貌

3 結(jié)論

1）經(jīng)LSP處理后，原始組織為層片狀的TC11鈦合金表層形成晶粒尺度為5～15 nm、厚度約為200 μm的梯度納米結(jié)構(gòu)，次表層組織中形成了大量位錯纏結(jié)、形變孿晶及層錯等晶體亞結(jié)構(gòu)缺陷。

2）LSP后，鈦合金內(nèi)部的殘余壓應(yīng)力和顯微硬度值均呈梯度變化趨勢，其最大值均位于表層，且隨著距表層距離的增大，相應(yīng)的數(shù)值逐漸減小。

3）LSP后，鈦合金強(qiáng)度值明顯提升，但伸長率略有下降，斷口形貌從典型的韌性斷裂向準(zhǔn)解理和韌性混合型斷裂轉(zhuǎn)變。

[1] SU Hao, SHEN Xue-hui, XU Chong-hai, et al. Surface Characteristics and Corrosion Behavior of TC11 Titanium Alloy Strengthened by Ultrasonic Roller Burnishing at Room and Medium Temperature[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9(4): 8172-8185.

[2] GAO Tao, XUE Hong-qian, SUN Zhi-dan, et al. Invest-igation of Crack Initiation Mechanism of a Precipitation Hardened TC11 Titanium Alloy under very High Cycle Fatigue Loading[J]. Materials Science and Engineering: A, 2020, 776: 138989.

[3] XIE Le-chun, LIU Chang, SONG Yan-li, et al. Evaluation of Microstructure Variation of TC11 Alloy after Electro-shocking Treatment[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9(2): 2455-2466.

[4] NIE Xiang-fan, HE Wei-feng, ZHOU Liu-cheng, et al. Experiment Investigation of Laser Shock Peening on TC6 Titanium Alloy to Improve High Cycle Fatigue Perfor-mance[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 594: 161-167.

[5] AO Ni, LIU Dao-xin, ZHANG Xiao-hua, et al. The Effect of Residual Stress and Gradient Nanostructure on the Fretting Fatigue Behavior of Plasma Electrolytic Oxida-tion Coated Ti-6Al-4V Alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 811: 152017.

[6] 李衛(wèi), 嚴(yán)世榕, 張樂. 表面噴丸強(qiáng)化處理對TC11鈦合金疲勞性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2017, 46(3): 172-176.

LI Wei, YAN Shi-rong, ZHANG Le. Effects of Surface Shot Peening Strengthening on Fatigue Property of TC11 Titanium Alloy[J]. Surface Technology, 2017, 46(3): 172-176.

[7] ZHAO Xiao-hui, XUE Gui-lian, LIU Yu. Gradient Cryst-a-lline Structure Induced by Ultrasonic Impacting and Rolling and Its Effect on Fatigue Behavior of TC11 Titanium Alloy[J]. Results in Physics, 2017, 7: 1845-1851.

[8] LAN Liang, XIN Ru-yi, JIN Xin-yuan, et al. Effects of Laser Shock Peening on Microstructure and Properties of Ti-6Al-4V Titanium Alloy Fabricated via Selective Laser Melting[J]. Materials (Basel, Switzerland), 2020, 13(15): 3261.

[9] 楊啟, 付雪松, 周文龍. 激光噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的研究綜述[J]. 航空制造技術(shù), 2020, 63(12): 14-22.

YANG Qi, FU Xue-song, ZHOU Wen-long. Research Status and Application Progress of Laser Shot Peening Surface Strengthening Technology[J]. Aeronautical Man-u-facturing Technology, 2020, 63(12): 14-22.

[10] CHATTOPADHYAY A, MUVVALA G, SARKAR S, et al. Effect of Laser Shock Peening on Microstructural, Mechanical and Corrosion Properties of Laser Beam Welded Commercially Pure Titanium[J]. Optics & Laser Technology, 2021, 133: 106527.

[11] 喬紅超, 趙吉賓, 陸瑩. 激光誘導(dǎo)沖擊波應(yīng)用技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 表面技術(shù), 2016, 45(1): 1-6.

QIAO Hong-chao, ZHAO Ji-bin, LU Ying. Current Status of Laser-Induced Shock Wave Application Technology[J]. Surface Technology, 2016, 45(1): 1-6.

[12] NIE Xiang-fan, HE Wei-feng, ZANG Shun-lai, et al. Effect Study and Application to Improve High Cycle Fatigue Resistance of TC11 Titanium Alloy by Laser Shock Peening with Multiple Impacts[J]. Surface and Coatings Technology, 2014, 253: 68-75.

[13] YANG Xu-feng, ZHANG Hong-jian, CUI Hai-tao, et al. Effect of Laser Shock Peening on Fretting Fatigue Life of TC11 Titanium Alloy[J]. Materials (Basel, Switzerland), 2020, 13(21): 4711.

[14] REN Xu-dong, TONG Zhao-peng, ZHOU Wang-fan, et al. High Temperature Wear Performance of Ti-6.5Al-3.5Mo- 1.5Zr-0.3Si Alloy Subjected to Laser Shock Peening[J]. Materials Science and Technology, 2018, 34(18): 2294- 2304.

[15] TONG Zhao-peng, REN Xu-dong, REN Yun-peng, et al. Effect of Laser Shock Peening on Microstructure and Hot Corrosion of TC11 Alloy[J]. Surface and Coatings Technology, 2018, 335: 32-40.

[16] 張欣雨, 毛小南, 王可, 等. 典型α+β鈦合金組織對靜態(tài)和動態(tài)性能的影響[J]. 材料導(dǎo)報, 2021, 35(1): 1162-1167.

ZHANG Xin-yu, MAO Xiao-nan, WANG Ke, et al. The Influence of Microstructure on the Static and Dynamic Properties in Typical α+β Titanium Alloy[J]. Materials Reports, 2021, 35(1): 1162-1167.

[17] 武永麗, 熊毅, 陳正閣, 等. 超音速微粒轟擊對TC11鈦合金組織和疲勞性能的影響[J]. 材料工程, 2021, 49(5): 137-143.

WU Yong-li, XIONG Yi, CHEN Zheng-ge, et al. Effect of Supersonic Fine Particle Bombardment on Microstructure and Fatigue Properties of TC11 Titanium Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2021, 49(5): 137-143.

[18] YANG C, LIU Y G, SHI Y H, et al. Microstructure Characterization and Tensile Properties of Processed TC17 via High Energy Shot Peening[J]. Materials Science and Engineering: A, 2020, 784: 139298.

[19] ZHOU Wang-fan, REN Xu-dong, LIU Fan-fan, et al. Nanocrystallization in the Duplex Ti-6Al-4V Alloy Proc-essed by Multiple Laser Shock Peening[J]. Metals, 2016, 6(12): 297.

[20] KONG Ling-yan, LAO Yuan-xia, XIONG Tian-ying, et al. Nanocrystalline Surface Layer on AISI 52100 Steel Induced by Supersonic Fine Particles Bombarding[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2013, 22(6): 1007- 1013.

[21] YANG Yang, LIAN Xiao-long, ZHOU Kai, et al. Effects of Laser Shock Peening on Microstructures and Properties of 2195 Al-Li Alloy[J]. Journal of Alloys and Compo-unds, 2019, 781: 330-336.

[22] REN X D, ZHOU W F, LIU F F, et al. Microstructure Evolution and Grain Refinement of Ti-6Al-4V Alloy by Laser Shock Processing[J]. Applied Surface Science, 2016, 363: 44-49.

[23] 孫浩, 朱穎, 郭偉, 等. 激光沖擊強(qiáng)化對TC17鈦合金殘余應(yīng)力及顯微組織的影響[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2017, 54(4): 041405.

SUN Hao, ZHU Ying, GUO Wei, et al. Effect of Laser Shock Peening on Residual Stress and Microstructure of TC17 Titanium Alloy[J]. Laser & Optoelectronics Prog-ress, 2017, 54(4): 041405.

[24] 王敏, 藺成效, 馬彩霞. Ti-6Al-4V鈦合金表面納米化機(jī)制研究[J]. 稀有金屬, 2011, 35(5): 633-638.

WANG Min, LIN Cheng-xiao, MA Cai-xia. Mechanism of Surface Nanocrystallization of Ti-6Al-4V Alloy[J]. Chinese Journal of Rare Metals, 2011, 35(5): 633-638.

[25] 黃鵬. 鈦合金變形機(jī)制的尺寸效應(yīng)和溫度效應(yīng)的原位透射電鏡研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2019.

HUANG Peng. In Situ TEM Investigation of Size and Temperature Effect on Deformation Mechanisms in Titan-ium Alloys[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019.

[26] 高玉魁, 陶雪菲. 高速沖擊表面處理對金屬材料力學(xué)性能和組織結(jié)構(gòu)的影響[J]. 爆炸與沖擊, 2021, 41(4): 4-29.

GAO Yu-kui, TAO Xue-fei. A Review on the Influences of High Speed Impact Surface Treatments on Mechanical Properties and Microstructures of Metallic Materials[J]. Explosion and Shock Waves, 2021, 41(4): 4-29.

[27] 鐘麗瓊, 嚴(yán)振, 梁益龍, 等. 殘余應(yīng)力場和不同應(yīng)力比下TC11鈦合金的高周疲勞性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2015, 44(5): 1224-1228.

ZHONG Li-qiong, YAN Zhen, LIANG Yi-long, et al. Property of High Cycle Fatigue of TC11 under Residual Stress and Different Stress Ratios[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2015, 44(5): 1224-1228.

[28] YIN Mei-gui, CAI Zhen-bing, LI Zhen-yang, et al. Improving Impact Wear Resistance of Ti-6Al-4V Alloy Treated by Laser Shock Peening[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2019, 29(7): 1439- 1448.

[29] 吳嘉俊, 趙吉賓, 喬紅超, 等. 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 光電工程, 2018, 45(2): 6-12.

WU Jia-jun, ZHAO Ji-bin, QIAO Hong-chao, et al. The Application Status and Development of Laser Shock Processing[J]. Opto-Electronic Engineering, 2018, 45(2): 6-12.

[30] 昝垚旭, 賈蔚菊, 趙恒章, 等. 激光沖擊對Ti834合金殘余應(yīng)力及顯微組織的影響[J]. 稀有金屬材料與工程, 2019, 48(11): 3535-3540.

ZAN Yao-xu, JIA Wei-ju, ZHAO Heng-zhang, et al. Effect of Laser Shock Processing on Residual Stress and Microstructure of Ti834 Titanium Alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48(11): 3535-3540.

[31] 王欣, 許春玲, 李臻熙, 等. 噴丸強(qiáng)度和表面覆蓋率對TC4鈦合金室溫疲勞性能的影響[J]. 材料工程, 2020, 48(9): 138-143.

WANG Xin, XU Chun-ling, LI Zhen-xi, et al. Effect of Shot Peening Intensity and Surface Coverage on Room-Temperature Fatigue Property of TC4 Titanium Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2020, 48(9): 138-143.

[32] XIONG Yi, HE Tian-tian, LI Peng-yan, et al. Effects of Laser Pulse Energy on Surface Microstructure and Mechanical Properties of High Carbon Steel[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(12): 4515-4520.

[33] MAAWAD E, SANO Y, WAGNER L, et al. Investigation of Laser Shock Peening Effects on Residual Stress State and Fatigue Performance of Titanium Alloys[J]. Materials Science and Engineering: A, 2012, 536: 82-91.

[34] ZHU Ran, ZHANG Yong-kang, ZHANG Chi. Surface Residual Stress, Micro-Hardness and Geometry of TC6 Titanium Alloy Thin-Wall Parts Processed by Multiple Oblique Laser Shock Peening[J]. Materials Research Express, 2020, 7(10): 106526.

[35] 高玉魁. 不同表面改性強(qiáng)化處理對TC4鈦合金表面完整性及疲勞性能的影響[J]. 金屬學(xué)報, 2016, 52(8): 915-922.

GAO Yu-kui. Influence of Different Surface Modification Treatments on Surface Integrity and Fatigue Performance of TC4 Titanium Alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2016, 52(8): 915-922.

[36] LUO Si-hai, ZHOU Liu-cheng, WANG Xue-de, et al. Surface Nanocrystallization and Amorphization of Dual- Phase TC11 Titanium Alloys under Laser Induced Ultrahigh Strain-Rate Plastic Deformation[J]. Materials (Basel, Switzerland), 2018, 11(4): 563.

[37] LIU Dan, LIU Dao-xin, ZHANG Xiao-hua, et al. Surface Nanocrystallization of 17-4 Precipitation-Hardening Stai-n-less Steel Subjected to Ultrasonic Surface Rolling Proc-ess[J]. Materials Science and Engineering: A, 2018, 726: 69-81.

[38] YE Chang, TELANG A, GILL A S, et al. Gradient Nano-s-tructure and Residual Stresses Induced by Ultrasonic Nano-Crystal Surface Modification in 304 Austenitic Stainless Steel for High Strength and High Ductility[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 613: 274-288.

[39] 盧柯. 梯度納米結(jié)構(gòu)材料[J]. 金屬學(xué)報, 2015, 51(1): 1-10.

LU Ke. Gradient Nanostructured Materials[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2015, 51(1): 1-10.

[40] 熊毅, 李鵬燕, 陳路飛, 等. 激光沖擊處理超細(xì)晶粒高碳鋼的微觀組織和力學(xué)性能[J]. 材料研究學(xué)報, 2015, 29(6): 469-474.

XIONG Yi, LI Peng-yan, CHEN Lu-fei, et al. Micro-structure and Mechanical Properties of Laser Shocked an Ultra-Fine Grained High Carbon Steel[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2015, 29(6): 469-474.

Effect of Laser Shock Peening on Microstructure and Properties of TC11 Titanium Alloy with Lamellar Microstructure

1,2,1,2,3,1

(1. State Key Laboratory of Laser Interaction with Matter, Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China; 3. Collaborative Innovation Center of New Nonferrous Metal Materials and Advanced Processing Technology Jointly Established by the Ministry of Science and Technology, Henan Luoyang 471023, China)

The paper aims to improve the serviceability of TC11 titanium alloy and provide experimental basis and technical support for the popularization and application of LSP technology in aeronautical component of titanium alloy. The surface of TC11 titanium alloy with lamellar structure is nanocrystallized by laser shock peening (LSP). The pulse energy is 6 J, the pulse width is 20 ns, the spot diameter is 3 mm, and the overlap ratio is 50%. The microstructure of TC11 titanium alloy before and after LSP are characterized by X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM). Compressive residual stresses in different depth were measured by x-ray stress analyzer. The microhardness of different depth is measured by microhardness tester. The mechanical properties are tested by tensile tester. Finally, the fracture morphology is photographed by SEM. The results show that gradient nanostructures are formed on the surface of TC11 titanium alloy after LSP, in which the grain size of the uppermost layer is about 10 nm, and the thickness of the deformation layer is about 200 μm. A large number of crystal substructure defects such as dislocation tangles, deformation twins and stacking faults are formed in the subsurface layer. The maximum compressive residual stressand microhardness exist in the surface layer of titanium alloy after LSP. The surface residual stress is about –267 MPa, the surface microhardness is about 425HV, and the corresponding values decrease gradually with the increase of the distance from the surface. In addition, the tensile strength and yield strength of TC11 titanium alloy after LSP are 1293 MPa and 1162 MPa respectively, which are 19.4% and 18.3% higher than those before LSP. But the elongation decreases slightly, about –8.9%. The fracture morphology changes from typical ductile fracture to quasi-cleavage and ductile mixed fracture. Under the combined action of gradient nano-structure and residual compressive stress after LSP, LSP-TC11 titanium alloy obtains good strength-plasticity matching.

laser shock peening (LSP); TC11 titanium alloy; gradient nanostructure; microstructure; mechanical properties; compressive residual stress

TG146.2+3

A

1001-3660(2022)07-0343-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.07.034

2021–05–21；

2021–10–21

2021-05-21；

2021-10-21

國家自然科學(xué)基金（U1804146，52111530068，51801054）；激光與物質(zhì)相互作用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（SKLLIM1806）；河南省外國專家與引智項(xiàng)目（HNGD2020009）

The National Natural Science Foundation of China (U1804146, 52111530068 and 51801054) , Fund of State key laboratory of laser-matter interaction (SKLLIM1806); Foreign Experts and Introduction Project of Henan Province (HNGD2020009)

陳正閣（1977—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饧夹g(shù)應(yīng)用研究。

CHEN Zheng-ge (1977-), Female, Master, Engineer, Research focus: application of laser technology.

熊毅（1975—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)結(jié)構(gòu)材料制備及其表面改性。

XIONG Yi (1975-), Male, Doctor, Professor, Research focus: preparation and surface modification of advanced structural materials.

陳正閣, 武永麗, 薛全喜, 等. 激光沖擊強(qiáng)化對片層TC11鈦合金組織和性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(7): 343-352.

CHEN Zheng-ge, WU Yong-li, XUE Quan-xi, et al. Effect of Laser Shock Peening on Microstructure and Properties of TC11 Titanium Alloy with Lamellar Microstructure[J]. Surface Technology, 2022, 51(7): 343-352.

責(zé)任編輯：劉世忠