增材316L不銹鋼的激光沖擊強化研究

喬紅超,何佳琪,3,趙吉賓,吳嘉俊,李竟鋒

(1.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室,遼寧 沈陽 110016；2.中國科學院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧 沈陽 110016；3.沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院,遼寧 沈陽 110870；4.汕頭大學工學院,廣東 汕頭 515603；5.清華大學深圳國際研究生院,廣東 深圳 518055)

1 引 言

隨著高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展,對設(shè)備零部件尤其是金屬零部件的要求越來越高,一方面要求零件具有復雜的結(jié)構(gòu),另一方面要求零件具有優(yōu)異的力學性能[1]。而傳統(tǒng)的零部件加工工藝逐漸不能滿足復雜零部件的加工制造要求。增材制造(Additive manufacturing,AM)[2]是一種新興制造技術(shù),其以合金粉末或絲材為原料,通過高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積,從而完成全致密、高性能大型復雜金屬結(jié)構(gòu)件的成形制造,具有成本低、周期短的特點,有望為現(xiàn)代重大裝備中大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供新的解決思路[3-4]。1997年,美國Sandia國家實驗室提出了增材制造成形鈦合金構(gòu)件的想法,并制備了第一片Ti6Al4V鈦合金發(fā)動機葉片[5]。2004年,清華大學利用增材制造技術(shù),成功制造出了直徑為191 mm、高為305 mm的W60Ni40鎢鎳合金薄壁復雜硬X射線望遠鏡的重要構(gòu)件[6]。然而,在增材制造過程容易致使零件表面產(chǎn)生拉應力,這在一定程度上會影響了增材制造零部件的機械性能,從而阻礙增材制造產(chǎn)品的工業(yè)應用[7]。

激光沖擊強化(Laser shock processing,LSP)是目前最為先進的材料表面改性技術(shù),其利用了激光誘導等離子體沖擊波的應力效應,使近表層材料發(fā)生嚴重塑性變形,引入一定深度的殘余壓應力層和伴隨位錯、孿晶等微觀組態(tài)的改變[8-9]；由于殘余壓應力能夠抵消加工過程所產(chǎn)生的有害拉應力和抑制疲勞裂紋的萌生與擴展,使得材料的力學性能和機械零部件的疲勞壽命得到顯著提高[10]。與傳統(tǒng)的機械表面改性技術(shù)如噴完強化[11]、滾壓[12]等相比,LSP不僅能夠引入數(shù)值更大深度更深的殘余壓應力層,而且具有激光工藝參數(shù)(如激光能量、脈沖寬度、光斑直徑等)可調(diào)、加工路徑可控等特點[13],在航空航天、生物醫(yī)療、石油化工、國防軍工等高端裝備制造領(lǐng)域具有應用前景。因此,利用LSP技術(shù)對增材制造零件進行處理,對提高增材制造產(chǎn)品的力學性能和疲勞壽命具有重要的意義。

本文以316L不銹鋼粉末為實驗材料,利用同軸送粉方式進行增材制造,通過數(shù)控電火花線切割切取實驗試件,利用SIA-LSP-23系列LSP系統(tǒng)在不同激光能量下對實驗試件進行LSP處理；研究了LSP對增材316L不銹鋼殘余應力、顯微硬度和抗拉強度的影響。本研究旨在為增材制造產(chǎn)品后處理工藝提供一種新的解決思路,拓寬激光沖擊強化與增材制造技術(shù)的應用,以滿足工程應用的多元化需求。

2 實驗與方法

2.1 實驗參數(shù)

選取316L不銹鋼粉末為實驗原料,其粒度范圍為10～130 μm；實驗基材為鍛造態(tài)的316L不銹鋼板材,其具體尺寸為100 mm×50 mm×4 mm。316不銹鋼基材和粉末的化學成分如表1所示。采用最大輸出功率為2 kW的光纖耦合半導體激光器,光斑直徑為D=2 mm,采用的送粉方式為同軸送粉,利用氬氣作為保護氣及送粉載氣。具體的工藝參數(shù)為:激光功率P=1300 W,激光掃描速度為v=6 mm/s,送粉量Q=9 g/min。

表1 316L基材與粉末的化學成分(wt %)

獲得打印工件后(如圖1(a),其厚度約為5 mm),首先利用銑刀對工件兩側(cè)進行銑削加工,得到厚度約為4.5 mm的薄板,然后利用數(shù)控電火花線切割切取尺寸規(guī)格為30 mm×30 mm×4.5 mm的常規(guī)試件和如圖1(b)所示尺寸規(guī)格的拉伸試件。

利用本課題組自主研制的SIA-LSP-23系列LSP系統(tǒng)對實驗試件進行LSP處理,該系統(tǒng)采用的激光其為LAMBER燈泵浦大能量激光器,其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[14]。實驗采用多點搭接以50 %的光斑搭接率(參考圖1(c))進行LSP處理；采用130 μm厚的黑膠帶為吸收保護層,選擇厚度約為1.2 mm的去離子水為約束層(水膜厚度波動情況如圖2所示)；在激光能量為3 J、4 J和5 J下分別對常規(guī)試件進行單面沖擊和對拉伸試件進行雙面沖擊；其他相同的激光參數(shù)為:光斑直徑為3 mm、脈沖寬度為12 ns,重復頻率為0.5 Hz。

(a)增材制造試樣實物圖

圖2 水膜厚度波動情況

表2 LAMBER系列燈泵浦大能量激光器的技術(shù)參數(shù)[14]

激光功率密度的計算公式為:

(1)

式中,I為激光功率密度;E為激光能量;d為經(jīng)聚焦后輻照在實驗試件表面的光斑直徑;τ為脈沖寬度。

根據(jù)式(1)和已知的激光工藝參數(shù),不同激光能量所對應的激光功率密度詳見表3。

表3 不同激光能量所對應的激光功率密度

2.2 測試表征

利用FM-310數(shù)字顯微硬度計測量常規(guī)試樣LSP處理前后的顯微硬度,采用的載荷為200 g、停留時間為15 ns;以常規(guī)試件幾何中心徑向向外的12 mm線中以1 mm的間隔測量表面顯微硬度,截面顯微硬度的測量范圍為沖擊表面到截面深度1.2 mm處,測量間隔為0.15 mm,用表面顯微硬度平均值表征截面距離為0的顯微硬度值。

利用STRESSTECH鉆孔法殘余應力測量系統(tǒng)測量了常規(guī)試件LSP處理前后的殘余應力,其中測量范圍為沖擊表面到深度1 mm。

室溫拉伸實驗委托青島斯坦德檢測股份有限公司完成,在Z150萬能試驗機以1×10-3s-1的應變率和0.5 mm/min的拉伸速率下進行；為保證實驗結(jié)果的可靠性,每種工藝條件下的拉伸試件各準備三個。

3 結(jié)果與討論

3.1 殘余應力

圖3為LSP對增材316L不銹鋼殘余應力的影響曲線。從圖中可以看出,增材316L不銹鋼的近表層中產(chǎn)生了殘余拉應力；這是因為激光點附近的熱梯度較大,快速冷卻過程容易致使打印工件產(chǎn)生局部壓縮、拉伸和殘余應力[15]。再經(jīng)低溫熱處理后,增材316L不銹鋼中的殘余應力將重新分布。如圖3可知,增材316L不銹鋼的殘余拉應力在0～180 MPa范圍內(nèi)波動。經(jīng)LSP處理后,工件近表面引入了殘余壓應力,且殘余壓應力最大值均出現(xiàn)在工件上表面；激光能量分別為3 J、4 J和5 J時,表面殘余壓應力分別為-171 MPa、-240 MPa和-290 MPa,其對應的殘余壓應力層深度分別約為0.57 mm、0.69 mm和0.76 mm。

圖3 LSP對增材316L不銹鋼殘余應力的影響

經(jīng)LSP處理后,材料近表層引入了有益的殘余壓應力,且表面殘余壓應力及其對應的殘余壓應力層深度均隨激光能量的增加而增加。在激光誘導等離子體沖擊波的超高應變率的作用下,工件近表層將產(chǎn)生劇烈的塑性變形,這在宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)部材料的相互擠壓,在微觀上則表現(xiàn)為晶格畸變、位錯增殖、滑移和孿晶等；在LSP作用結(jié)束后,這些晶體學變化不能夠完全釋放,于是形成一定深度的殘余壓應力層[16-17]。此外,激光能量越大,所誘導產(chǎn)生的等離子體沖擊波壓力越高,致使工件近表層的位錯密度、晶格畸變程度和孿晶等增加,進而誘導形成數(shù)值更大深度更深的殘余壓應力。

3.2 顯微硬度

增材316L不銹鋼LSP處理前后的表面顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可知:增材316L不銹鋼的初始表面顯微硬度的平均值約為233.6 HV,經(jīng)LSP處理,激光能量為3 J、4 J和5 J的增材316L不銹鋼的表面顯微硬度的平均值分別約為276.7 HV、297.8 HV和315.9 HV,分別較未LSP處理提高了18.45 %、27.48 %和35.23 %。圖5為LSP對增材316L不銹鋼截面顯微硬度的影響。從圖5中可以看出:顯微硬度與殘余應力有著類似的分布規(guī)律,但硬化層深度要比殘余壓應力層深度大0.15～0.25 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是殘余拉應力在增材制造打印出來的試件表面形成[7]；在LSP誘導沖擊波的作用下,需要一定的殘余壓應力來抵消殘余拉應力,從而致使產(chǎn)生硬化層深度比殘余壓應力層深度要大的現(xiàn)象。

圖4 LSP對增材316L不銹鋼表面顯微硬度的影響

圖5 LSP對增材316L不銹鋼橫斷面顯微硬度的影響

在LSP過程中,誘導產(chǎn)生的等離子體沖擊波將向材料內(nèi)部傳播；在向材料內(nèi)部傳播的過程,將發(fā)生材料變形能得轉(zhuǎn)換,再加上材料內(nèi)部存在一定得阻尼,沖擊波的能量將逐漸減弱,使得深層截面的位錯程度也在減弱,致使截面顯微硬度隨深度的增加而降低；當達到一定深度時,等離子體沖擊波的能量將小于工件的塑性變形能,此時將不再引起材料的塑性變形和顯微硬度的提升[7,16]。

3.3 抗拉強度

對LSP處理前后的增材316L不銹鋼進行了室溫拉伸實驗,以研究LSP在應力-應變曲線中的作用?？估瓘姸仁遣牧显诶鞌嗔亚八艹惺艿淖畲髴?通常用來作為控制材料質(zhì)量的指標。LSP對增材316L不銹鋼抗拉強度的影響如圖6所示。從圖6中可知:未經(jīng)LSP處理的增材316L不銹鋼的抗拉強度為568.2 MP；經(jīng)LSP處理,激光能量為3 J、4 J和5 J的增材316L不銹鋼的抗拉強度分別為611.6 MPa、633.3 MPa和646.5 MPa,分別較未LSP處理提高了7.64 %、11.46 %和13.78 %。

圖6 LSP對增材316L不銹鋼抗拉強度的影響

材料在激光誘導等離子體沖擊波作用下,位錯運動將加劇,并在材料近表層形成大量的孿晶、細晶粒和位錯纏結(jié)等[18-19]。在多晶體中,晶界的變形抗力較大,這些晶粒使得表層的總晶界面積增加,在拉伸時孿晶界以及細晶粒晶界作為一種障礙物阻礙了位錯向裂紋尖端處的移動,從而提高了材料的抗拉強度。此外,較高的激光能量可以誘導產(chǎn)生較高的沖擊波壓力,使得近表層材料的晶粒細化程度和晶粒細化層深度提高,從而致使材料的抗拉強度進一步提高。

4 結(jié) 論

利用LSP技術(shù)對增材316L不銹鋼進行表面處理,研究了LSP對增材316L不銹鋼殘余應力、顯微硬度和抗拉強度的影響。本研究主要結(jié)論如下:

(1)通過增材制造工藝打印出來的工件,其近表層存在一定數(shù)值的殘余拉應力層,難以滿足高性能材料的工藝要求；

(2)經(jīng)LSP處理,增材316L不銹鋼近表面將引入了殘余壓應力、并伴隨著顯微硬度和抗拉強度的顯著提高；所引入的殘余壓應力、顯微硬度和抗拉強度隨激光能量的增加而增加,表明較高的激光能量能夠獲得較好的激光沖擊強化效果；

(3)經(jīng)LSP處理,增材316L不銹鋼的截面顯微硬度分布規(guī)律與殘余應力分布規(guī)律類似,但顯微硬化層深度要比殘余壓應力層深度大0.15～0.25 mm。

(4)LSP是一項有效的表面改性技術(shù),可作為一項后處理技術(shù)用來提高增材制造產(chǎn)品的力學性能。