激光沖擊強化對FGH95 粉末合金的表面完整性研究

瞿祥明，朱海燕，趙艷云，張永康

（ 1. 廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州 510006；2. 中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002 ）

FGH95（FGH4095）是我國研制的第一代鎳基粉末高溫合金， 是含一半γ′相的沉淀強化型鎳基合金，具有優(yōu)異的高溫強度，是制造高性能航空發(fā)動機渦輪盤等高溫轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)件的首選材料之一[1]。 發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)工作時，由于轉(zhuǎn)子與葉片通過榫槽榫齒緊密接觸，接觸區(qū)域會高頻振動而形成較大的應力集中，長時間運行后使該區(qū)域表面產(chǎn)生微裂紋。

服役金屬結(jié)構(gòu)90%的失效是由裂紋造成的[2]，表面的殘余壓應力可以抑制裂紋的萌生和擴展，有利于延長金屬的疲勞壽命[3]。 激光沖擊強化（laser shock processing，LSP）是一種優(yōu)異的表面處理技術(shù)，處理后具有更高的殘余壓應力、更深的壓應力影響層和更平整的加工表面[4]。

Ren 等[5]通過有限元分析了高斯激光沖擊鎳基合金GH4169 的殘余應力及熱松弛行為。Cao 等[6]研究了鎳基合金GH202 激光沖擊處理后的高溫抗氧化性能。 Zhou 等[7]分析了鎳基合金K417 經(jīng)激光沖擊處理后殘余應力的熱松弛現(xiàn)象。 Karthik 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，無涂層激光噴丸能明顯提高鎳基鉻鎳鐵合金600 的耐蝕性。 Kattoura 等[9]研究了激光沖擊處理對ATI 718Plus 合金的殘余應力、組織和疲勞行為的影響。Hu 等[10]模擬了高斯激光沖擊鎳基合金IN718 的表面形貌和殘余應力場。 開展FGH95 的LSP 表面處理技術(shù)研究可進一步促進高性能航空發(fā)動機關(guān)鍵部件渦輪盤的服役壽命， 然而關(guān)于鎳基合金的LSP 處理的研究較多，但對粉末高溫合金FGH95 的研究卻鮮有報道。

渦輪盤榫槽空間狹小，激光束垂直入射沖擊難以實施，其需要通過一定角度傾斜后，才可無遮擋地輻射到榫槽待處理的區(qū)域。 本文以FGH95 鎳基粉末合金為研究對象，通過確定某渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)的激光入射角度，研究入射角度、激光能量和沖擊次數(shù)3 種LSP 處理參數(shù)對FGH95 粉末合金板材的表面完整性的影響。

1 實驗材料與檢測

1.1 實驗材料

實驗材料為FGH95 粉末合金板材，通過線切割方式加工成18 mm×18 mm×5 mm 的試樣塊。采用金相研磨砂紙對試件表面進行打磨， 去除毛刺和劃痕， 然后使用金剛石拋光劑對試件進行拋光處理，最后通過超聲波清洗機用無水乙醇清洗試樣，吹風機吹干表面。

1.2 確定渦輪盤榫槽的沖擊角度

圖1 是某渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)示意圖。 根據(jù)渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)及易損傷位置確定需LSP 處理的區(qū)域，即圖中①、②、③、④、⑤區(qū)域。

圖1 某型渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)示意圖

利用機器人仿真軟件編程功能，確定每個部位的斜入射沖擊角度的范圍，如表1 所示。 其中：②號和⑤號部位無遮擋，可以采取0°入射；①號、③號和④號部位有部分區(qū)域遮擋，需采取斜入射角度沖擊方式，其中①號沖擊角度≥50°，③號和④號沖擊角度≥60°。

表1 不同入射角度激光光束下的榫槽長度

1.3 實驗設(shè)備與參數(shù)

激光沖擊設(shè)備采用單縱模激光噴丸系統(tǒng)，其中參數(shù)：圓形光斑直徑2 mm、數(shù)目36 個、頻率5 Hz、脈沖寬度20 ns、光斑搭接率30%，約束層和吸收層分別為水和黑色膠帶。 設(shè)定圖2 所示的激光沖擊路徑，即沿“S”形路徑從試樣左側(cè)向右側(cè)進行沖擊。

圖2 LSP 沖擊路徑示意

實驗參數(shù)包括入射角度、 激光能量和沖擊次數(shù)， 入射角度選取 0°、20°、40°、60°， 激光能量選取5、6、7、8 J，沖擊次數(shù)選取 1、2、3、4 次，具體見表 2。

表2 LSP 實驗參數(shù)

1.4 結(jié)果檢測

處理前后板材試件的表面完整性由表面粗糙度、 表面殘余壓應力和表面顯微硬度共同表征，其中表面粗糙度通過臺階儀檢測，表面殘余壓應力通過射線應力儀測量，表面顯微硬度通過顯微硬度計檢測，其載荷力和載荷時間分別為1000 g、5 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊角度對表面完整性的影響

選取表 2 中的 0、1、2、3、4 試樣，研究不同斜入射沖擊角度LSP 處理對試件表面完整性的影響，結(jié)果見圖3～圖5。 結(jié)果表明，經(jīng)LSP 處理的與未沖擊的試樣，其表面完整性相差較大；隨著入射角度增大，表面粗糙度值、表面殘余壓應力都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢， 表面顯微硬度也基本滿足該規(guī)律，特別是在距起點4～6 mm 的中間區(qū)域表現(xiàn)明顯，僅在沖擊起點和終點處有所出入，這是由邊緣強化干擾導致。

圖3 不同斜入射沖擊角度LSP 處理試樣的表面粗糙度

圖4 不同斜入射沖擊角度LSP 處理試樣的表面殘余應力

圖5 不同斜入射沖擊角度LSP 處理試樣的表面顯微硬度

隨著入射角度增大，激光光斑由圓形變成橢圓形， 光斑邊緣瑞利波匯聚到中心的時間差會增長，瑞利波卸載效應減?。蝗肷浣嵌仍龃笠鸺す夤獍呙娣e增大，激光功率密度相應減小，誘導沖擊壓力也隨之減小。 在此雙重因素影響下，沖擊波塑性變形效應隨入射角度增大先增大而后減小，將會導致表面粗糙度、表面殘余應力和表面顯微硬度的先增大而后減小[11-12]。 當沖擊角度為20°時，表面粗糙度均值和表面殘余應力均值都達到最大， 分別為Ra1.118 μm 和-370.4 MPa，而表面顯微硬度均值在沖擊角度為40°時達到最大值508.4HV。 同時由圖4、圖5 可見，固定入射角度不變，表面殘余應力和表面顯微硬度值都隨著沖擊距起點距離的增大呈現(xiàn)先增大而后減小的趨勢且起點處高于終點處，這是由大角度沖擊增加激光能量中心偏移程度和黑膠帶粘貼緊密程度由起至終不斷降低而導致。

2.2 激光能量對表面完整性的影響

選取表 2 中的 0、4、5、6、7 試樣，研究不同激光能量LSP 處理對試件表面完整性的影響， 結(jié)果見圖6～圖8。 結(jié)果表明，經(jīng)LSP 處理的與未沖擊的試樣，其表面完整性相差較大； 隨著激光能量的增大，表面粗糙度值、表面殘余壓應力和表面顯微硬度逐漸增大且增加的幅度都逐漸減小，邊緣強化干擾的效果依然明顯。

圖6 不同激光能量LSP 處理試樣的表面粗糙度

圖7 不同激光能量LSP 處理試樣的表面殘余應力

圖8 不同激光能量LSP 處理試樣的表面顯微硬度

這是由于增大沖擊的激光能量會引起表面形貌起伏程度變大，表面粗糙度變大；增大激光能量時，誘導沖擊波峰值更高，試樣的表面塑性變形程度越大，殘余應力不斷增大，塑性變形也導致表層組織晶粒細化提高表面顯微硬度。 當采用8 J 的激光能量進行沖擊時，表面粗糙度均值、表面殘余壓應力均值和表面顯微硬度均值達到最大， 分別為Ra1.305 μm、-451.1 MPa 和 526.5HV。

2.3 沖擊次數(shù)對表面完整性的影響

選取表 2 中的 0、4、8、9、10 試樣， 研究不同沖擊次數(shù)LSP 處理對試件表面完整性的影響，結(jié)果見圖9～圖11。 結(jié)果表明，經(jīng)LSP 處理與未沖擊的試樣表面完整性相差較大；隨著沖擊次數(shù)的增加，表面粗糙度值、表面殘余壓應力和表面顯微硬度逐漸增大，增加的幅度都逐漸減小，且與激光能量相比，沖擊次數(shù)的增加下降幅度更大。

圖9 不同沖擊次數(shù)LSP 處理試樣的表面粗糙度

圖10 不同沖擊次數(shù)LSP 處理試樣的表面殘余應力

圖11 不同沖擊次數(shù)LSP 處理試樣的表面顯微硬度

這是由于隨著沖擊次數(shù)增加， 塑性變形越大，表面粗糙度值不斷增大， 位錯密度也相應增大，同時變形抗力增大，導致塑性變形增量減小，從而呈現(xiàn)出表面粗糙度、表面殘余應力和表面顯微硬度增幅趨勢不斷減小。 當采用四次沖擊LSP 處理時，表面粗糙度值、表面殘余壓應力和表面顯微硬度均值達到最大，分別為 Ra1 μm、-421.4MPa 和 508.6HV。

3 結(jié)論

基于平頂光束激光沖擊強化系統(tǒng)，本文以在渦輪盤應用的FGH95 鎳基粉末合金為研究對象，研究了激光沖擊處理的入射角度、激光能量和沖擊次數(shù)三種不同參數(shù)對FGH95 材料表面完整性的影響，得出如下結(jié)論：

（1）隨著入射角度增大，表面粗糙度、表面殘余應力和表面顯微硬度基本都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。 入射角度為20°時，表面粗糙度和表面殘余應力達到最大， 入射角度為40°時表面顯微硬度達到最大，這種現(xiàn)象是由瑞利波卸載、功率密度減低和激光能量中心偏移增大等綜合導致。

（2）隨著激光能量和沖擊次數(shù)的增加，表面粗糙度、表面殘余應力和表面顯微硬度都會增加且增加幅度都逐漸減小。 與激光能量相比，沖擊次數(shù)的增加下降幅度更大。

（3）固定入射角度、激光能量和沖擊次數(shù)不變，表面殘余應力和表面顯微硬度都隨著沖擊距起點距離的增大呈現(xiàn)先增大而后減小且起點處高于終點處，這是由大角度沖擊增加激光能量中心偏移程度和黑膠帶粘貼緊密程度由起至終不斷降低導致。