鈦合金葉片模擬件激光沖擊誘導(dǎo)層裂行為研究*

孫汝劍，孟祥峰，姜盎然，曹子文，王新宇，車志剛，吳俊峰，鄒世坤

（1.中國航空制造技術(shù)研究院先進表面工程技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 100024；2.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)某軍事代表室，沈陽 110034；3.航空工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110034）

鈦合金因其具有相對密度低、比強度高、工作溫度寬、耐腐蝕性優(yōu)等特點，被廣泛用于制造航空發(fā)動機低溫段部件[1–3]。其中，TC17 鈦合金主要用于制造航空發(fā)動機風(fēng)扇葉片和壓氣機整體葉盤、機匣等[4]。美國F/A–18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機裝備的F414 發(fā)動機第2 級和第3 級風(fēng)扇葉片即采用TC17 鈦合金制造。我國從20世紀(jì)80年代中后期開始研制TC17 鈦合金，現(xiàn)已在多種發(fā)動機上獲得型號應(yīng)用[1]。然而，TC17 鈦合金部件通常處在發(fā)動機進氣前端，服役過程中既承受軸向、橫向和側(cè)向力，也承受彎矩、扭矩等質(zhì)量慣性力，還承受著高溫、循環(huán)振動以及外來物體擊打等復(fù)雜載荷作用，易發(fā)生屈服變形、疲勞等失效，大幅降低了其服役壽命，嚴(yán)重影響航空發(fā)動機的長壽命、高可靠服役[4–5]。

激光沖擊強化是一種先進的表面改性抗疲勞制造技術(shù)，能夠在材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生高幅值、大深度殘余壓應(yīng)力，改善材料表層微觀組織，提高材料抗疲勞、磨損和腐蝕等綜合性能[6–9]，然而，激光沖擊強化應(yīng)用于航空發(fā)動機葉片等薄壁結(jié)構(gòu)零件時仍存在一些技術(shù)問題，如表面粗糙度增加影響氣動性能、進排氣邊緣扭曲變形、沖擊芯部區(qū)域的層裂等。激光沖擊誘導(dǎo)層裂是激光沖擊加載稀疏波與靶材背面反射稀疏波碰撞產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用于局部區(qū)域，產(chǎn)生損傷累積，并造成材料內(nèi)部破壞的動態(tài)失效現(xiàn)象。層裂的產(chǎn)生首先會經(jīng)過微孔洞的萌生、成長，隨后微孔洞之間相互貫通形成較大的裂紋，最終誘導(dǎo)層裂破壞[10]。

唐志平等[11]早在1992年就采用釹玻璃激光沖擊鋁靶材和鐵靶材，并獲得了層裂試驗的初步結(jié)果。21世紀(jì)初，王永剛等[12]采用任意反射面速度干涉儀對LY12 鋁合金在不同溫度下的層裂行為進行試驗研究時發(fā)現(xiàn)，層裂強度隨著溫度升高而減小。進入到2010年后，激光沖擊誘導(dǎo)層裂的研究受到更多關(guān)注，本研究團隊分別對TC17 鈦合金[13]、7050鋁合金[14]開展了層裂試驗研究，并基于葉片開展了層裂預(yù)防方法研究。有限元數(shù)值模擬方面，Cao 等[15]采用有限元數(shù)值模擬研究了激光誘導(dǎo)沖擊波在均質(zhì)固態(tài)材料、雙層材料中的傳遞特性，并預(yù)測了相應(yīng)的層裂行為。姚紅兵等[16]采用有限元數(shù)值模擬方法對TC4 的層裂行為進行模擬研究，指出應(yīng)變率及層裂強度隨著激光沖擊波峰值功率的增大而增大，隨著激光沖擊加載時間的延長而減小。然而，上述研究均是從力學(xué)角度探究激光沖擊誘導(dǎo)層裂問題，對于激光沖擊誘導(dǎo)層裂的材料學(xué)行為尚缺乏深入研究。此外，上述研究均是針對平板結(jié)構(gòu)開展研究，針對葉片等真實構(gòu)型試件的研究也不充分。

因此，本文首先根據(jù)航空發(fā)動機壓氣機葉片設(shè)計具有特征葉型的葉片模擬件，并對其開展激光沖擊處理，探究多次沖擊下的層裂行為，并進一步通過不同厚度平板試樣研究試樣厚度以及光斑形狀對層裂產(chǎn)生位置的影響，從微觀組織角度揭示激光沖擊產(chǎn)生的條件，為激光沖擊誘導(dǎo)層裂研究提供全新思路，為激光沖擊強化在航空發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗及方法

1.1 試驗材料及試樣

本研究選用材料為富β 穩(wěn)定元素的α+β 兩相TC17 鈦合金，其名義化學(xué)成分為Ti–5Al–2Sn–2Zr–4Mo–4Cr。該合金強度高、斷裂韌度好、鍛造溫度范圍寬，是制造航空發(fā)動機葉片、整體葉盤等部件的關(guān)鍵材料。表1 為本研究中TC17 鈦合金的詳細化學(xué)成分。

表1 TC17 鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of TC17 titanium alloy(mass fraction)%

圖1（a）為根據(jù)航空發(fā)動機壓氣機葉片葉型設(shè)計的變截面厚度葉片模擬件，其截面輪廓尺寸為25 mm×9.5 mm，葉尖部分圓角半徑為0.3 mm（圖1（b））。采用數(shù)控加工與機械磨拋將試樣加工成形。

圖1 激光沖擊試樣Fig.1 Specimen for laser shock peening

為進一步明確層裂產(chǎn)生的條件，本研究設(shè)計了3 種不同厚度平板試樣（厚度t分別為2 mm、3 mm、5 mm）以探究層裂與試樣形狀和激光光斑的關(guān)系，試樣形式如圖1（c）所示。

1.2 激光沖擊強化試驗

采用中國航空制造技術(shù)研究院裝備的LAMBER–H40 型激光系統(tǒng)進行沖擊強化試驗。該系統(tǒng)由Nd：YAG 脈沖激光發(fā)生器、外部反射聚焦光路、多自由度機械手臂以及控制程序等部分組成。在沖擊前，使用厚度為100 μm 的3M 專用鋁箔膠帶作為吸收層粘貼在試樣表面，并調(diào)節(jié)去離子水噴射角度使其在試樣表面形成1～2 mm 的穩(wěn)定水流層。沖擊時，激光經(jīng)聚焦、整形后形成特定形狀的光斑作用在試樣表面的鋁箔膠帶上。由于層裂通常產(chǎn)生于過沖擊的情形，即過大的激光能量或過多的沖擊次數(shù)，故本研究在固定激光能量的條件下，研究不同光斑形狀（方形和圓形）下沖擊次數(shù)對層裂的影響，沖擊區(qū)域大小即為方形/圓形單光斑大小。具體參數(shù)為激光能量25 J、光斑大小4 mm（方形光斑邊長為4 mm，圓形光斑直徑為4 mm），沖擊次數(shù)以產(chǎn)生層裂的次數(shù)為上限。

1.3 測試及表征

利用電火花線切割將沖擊后的試樣沿圖1（a）中的虛線切開，保證切口位置恰好經(jīng)過激光沖擊光斑中心，隨后通過機械磨拋將切開的截面制備成無劃痕的鏡面，進而采用基恩士VHX–5000 型光學(xué)超景深顯微鏡觀察是否產(chǎn)生層裂以及測量層裂產(chǎn)生部位與試樣底部之間的距離。采用裝配有EDS 能譜儀的蔡司Gemini 500 型掃描電子顯微鏡對層裂附近元素進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 變厚度葉片模擬件試樣

圖2 為不同沖擊次數(shù)下TC17鈦合金變厚度葉片模擬件試樣截面宏觀光鏡圖。由圖2（a）～（d）可知，2～5 次沖擊下葉片模擬件未發(fā)生形變或產(chǎn)生層裂，保持著初始葉型特征。這說明5 次以下激光沖擊誘導(dǎo)的累計損傷未達到該材料的破壞極限。而當(dāng)沖擊次數(shù)進一步增加到6～8次時，如圖2（e）～（g）所示，葉片模擬件發(fā)生明顯翹曲變形，上輪廓邊明顯偏離11°基準(zhǔn)線，且偏離程度隨沖擊次數(shù)的增加而增大。葉片發(fā)生翹曲變形是因為隨著激光沖擊次數(shù)的增加，沖擊作用面產(chǎn)生的凹坑深度增加，其表面積擴大，形成向外的擠壓作用，從而使得葉片產(chǎn)生向另一側(cè)的變形。此外，在6～8 次激光沖擊時，葉片模擬件試樣內(nèi)部均觀察到了明顯的層裂，但層裂長度與沖擊次數(shù)之間無明顯對應(yīng)關(guān)系，這說明層裂的產(chǎn)生不僅與激光誘導(dǎo)沖擊波傳遞過程有關(guān)，還可能與材料本身屬性相關(guān)。需要指出的是，當(dāng)沖擊次數(shù)為8 次時（圖2（g）），葉片模擬件試樣沖擊作用背面出現(xiàn)局部剝落現(xiàn)象，這是由層裂擴展出現(xiàn)的局部撕裂所致。Wu等[17]在激光沖擊7050 鋁合金中也觀察到了類似的剝落現(xiàn)象，并通過掃描電鏡對撕裂端口進行了觀察。

圖2 葉片模擬件多次激光沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.2 OM images on cross-section of multi-times peened blade simulator

2.2 等厚度平板試樣

為進一步探究層裂產(chǎn)生條件，本節(jié)首先采用方形光斑沖擊厚度為2 mm、3 mm 以及5 mm 的平板試樣，研究試樣厚度對層裂產(chǎn)生的影響，進而采用圓形光斑沖擊厚度為3 mm和5 mm 的平板試樣，對比研究光斑形狀對層裂產(chǎn)生的影響。

2.2.1 試樣厚度對層裂的影響

圖3～5 分別為方形光斑多次激光沖擊2 mm、3 mm 和5 mm 平板試樣后的截面光鏡圖。圖3 為5～9 次沖擊2 mm 厚TC17 鈦合金試樣的結(jié)果?？梢?，沖擊后基材表面向內(nèi)側(cè)凹陷變形，且隨著強化次數(shù)的增加，凹陷程度逐漸增加[18]。此外，當(dāng)激光沖擊次數(shù)增加到第9 次時，激光沖擊作用區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯層裂，通過測量可知其距離試樣下表面360 μm。

圖3 2 mm 厚平板試樣方形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.3 OM images on cross-section of multi-times square spot peened 2 mm thick plate

當(dāng)試樣厚度增加到3 mm 時（圖4），隨著激光沖擊次數(shù)增加，試樣表面凹陷變形規(guī)律與2 mm 厚度試樣一致。不同的是，3 mm 平板試樣沖擊時，層裂出現(xiàn)在第10 次沖擊后，因此可以認(rèn)為3 mm 厚度試樣比2 mm厚度試樣具有更高的層裂抗力。而具體到層裂產(chǎn)生位置上，3 mm 試樣上層裂出現(xiàn)在距試樣下表面429 μm深度上，比2 mm 厚度試樣內(nèi)的層裂更靠近內(nèi)側(cè)。

圖4 3 mm 厚平板試樣方形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.4 OM images on cross-section of multi-times square spot peened 3 mm thick plate

圖5 為5 mm 厚度平板試樣7～12次沖擊后的層裂結(jié)果。盡管多次沖擊后試樣表面出現(xiàn)了明顯凹陷變形，但均未觀察到明顯的層裂，這說明層裂不易產(chǎn)生于較大厚度試樣。激光沖擊時，激光誘導(dǎo)沖擊波峰值壓力在試樣上表面具有極大值，隨著沖擊波向材料內(nèi)部傳遞，峰值壓力逐漸降低，在較大厚度試樣中沖擊波的壓力極有可能在未傳遞到下表面時就已衰減到彈性應(yīng)力區(qū)間，最終無法形成層裂。

圖5 5 mm 厚平板試樣方形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.5 OM images on cross-section of multi-times square spot peened 5 mm thick plate

對比激光沖擊2 mm、3 mm 和5 mm 厚度平板試樣的層裂情況可知，激光沖擊誘導(dǎo)層裂與試樣厚度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著試樣厚度的增加，產(chǎn)生層裂所需的沖擊次數(shù)增加，當(dāng)試樣厚度增加到某一閾值后，某一特定激光能量下甚至不會產(chǎn)生層裂。胡昌明等[19]研究不同應(yīng)變率下45 鋼層裂特性時也指出層裂強度并非一個定值。

2.2.2 光斑形狀對層裂的影響

圖6 和7 分別為圓形光斑多次激光沖擊3 mm 和5 mm 平板試樣后的截面光鏡圖。與方形光斑結(jié)果一致的是，在3 mm 厚度試樣中，10 次沖擊后產(chǎn)生層裂，但層裂位置相對于方形光斑沖擊時距離試樣底面更近，其距離為229 μm。在5 mm 厚度試樣中，當(dāng)沖擊次數(shù)增加到12 次時，也未能觀察到明顯的層裂。

圖6 3 mm 厚平板試樣圓形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.6 OM images on cross-section of multi-times round spot peened 3 mm thick plate

圖7 5 mm 厚平板試樣圓形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.7 OM images on cross-section of multi-times round spot peened 5 mm thick plate

因此，對比方形光斑和圓形光斑沖擊結(jié)果可見，層裂的產(chǎn)生與采用的光斑形狀之間無明顯關(guān)系，方形光斑和圓形光斑沖擊下均可能產(chǎn)生層裂。

2.3 激光沖擊誘導(dǎo)層裂微觀機制

圖8 統(tǒng)計的是不同條件下產(chǎn)生層裂深度與平板試樣厚度之間的比值。方形光斑沖擊2 mm 試樣下層裂深度與試樣厚度比值為82%，方形光斑沖擊3 mm 試樣下層裂深度與試樣厚度比值為85.7%，圓形光斑沖擊3 mm 試樣下層裂深度與試樣厚度比值為92.3%。對比方形光斑沖擊2 mm 和3 mm 試樣可知，同樣激光參數(shù)下層裂產(chǎn)生具體位置與試樣厚度之間的比值并非定值；對比方形光斑和圓形光斑沖擊3 mm 試樣可知，同樣厚度試樣下，采用不同激光沖擊參數(shù)層裂產(chǎn)生具體位置也不同。這說明層裂的產(chǎn)生并非絕對沖擊波傳遞作用的效果，也可能與缺陷、偏析等材料學(xué)因素相關(guān)。

圖8 不同條件下產(chǎn)生層裂深度與平板試樣厚度之間的比值Fig.8 Ratio between depth of spalling and thickness of plate in different peening conditions

圖9 為圖2（f）中所示試樣層裂區(qū)域掃描電鏡圖。圖9（b）為圖9（a）中紅色方框的放大圖。如圖9所示，兩處層裂的寬度分別為11.2 μm 和9.1 μm。表2 為采用EDS 能譜儀測定的層裂附近不同點位處元素分布結(jié)果。A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)位于層裂兩側(cè)的基體上，D區(qū)位于層裂中心?？梢钥闯?，所有測試點位的Cr和Sn 元素均高于名義值，這說明Cr和Sn 元素在層裂附近出現(xiàn)了明顯富集。此外，D區(qū)Ti 元素的含量明顯低于A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，這說明層裂附近不僅富Cr 和Sn 還出現(xiàn)了貧Ti，這樣的元素分布結(jié)果易形成局部軟化區(qū)，從而導(dǎo)致層裂的產(chǎn)生。這再次證明層裂的產(chǎn)生與微觀成分偏析等現(xiàn)象也存在一定的關(guān)聯(lián)。

圖9 層裂區(qū)域的掃描電鏡圖Fig.9 SEM image of spalling region

表2 層裂區(qū)域的EDS 元素分布（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 EDS element distribution in the spalling region(mass fraction)%

3 結(jié)論

本文針對航空發(fā)動機壓氣機葉片設(shè)計具有特征葉型的TC17 鈦合金葉片模擬件，探究其采用25 J 激光能量、4 mm 光斑多次沖擊下的層裂行為，并通過設(shè)計具有不同厚度的平板試樣，進一步研究試樣厚度以及光斑形狀對層裂產(chǎn)生位置的影響。主要結(jié)論如下。

（1）葉面夾角為11°的TC17 鈦合金變厚度葉片模擬件激光沖擊時，沖擊面出現(xiàn)凹陷變形，葉片宏觀呈現(xiàn)翹曲變形，6 次沖擊后產(chǎn)生層裂，8 次沖擊后背面出現(xiàn)局部剝落。

（2）激光沖擊誘導(dǎo)層裂與試樣厚度正相關(guān)，隨著試樣厚度的增加，層裂產(chǎn)生的沖擊次數(shù)閾值升高，但層裂產(chǎn)生的深度與試樣厚度的比值并非定值。此外，層裂的產(chǎn)生與否和光斑形狀無明顯關(guān)系，采用圓形光斑和方形光斑均誘導(dǎo)產(chǎn)生層裂。

（3）激光沖擊誘導(dǎo)層裂區(qū)域微觀組織存在明顯成分偏析，表現(xiàn)為Cr 和Sn 元素富集，并形成軟化區(qū)，激光沖擊誘導(dǎo)的層裂不僅與沖擊波的傳遞特性有關(guān)，還可能與成分偏析、元素富集等材料缺陷相關(guān)。