0.   引言

大多數(shù)金屬零件失效源于其表面,表面強(qiáng)化工藝可以有效改善金屬表面完整性,提高零件力學(xué)性能。常用的表面強(qiáng)化工藝有噴丸強(qiáng)化[1]、超聲滾壓強(qiáng)化[2]、超聲沖擊強(qiáng)化[3]、激光沖擊強(qiáng)化[4-5]等。其中,激光沖擊強(qiáng)化（LSP）具有峰值壓力高、應(yīng)變速率大和靈活性好等優(yōu)點(diǎn),其通過(guò)誘導(dǎo)金屬表面塑性變形來(lái)改善微觀結(jié)構(gòu),引入殘余壓應(yīng)力,從而顯著提高金屬零件的抗疲勞性[6]、耐磨性[7]、耐腐蝕性[8],因此得到了廣泛關(guān)注。 

然而,對(duì)于難變形材料,激光沖擊強(qiáng)化工藝引入的殘余壓應(yīng)力影響層深度有限。為解決這一問(wèn)題,一些學(xué)者提出增添熱效應(yīng)輔助提高材料塑性來(lái)提升激光沖擊強(qiáng)化效果的方法[9-10]。YE等[11]以AISI 4140鋼為研究對(duì)象,提出了以加熱板為熱源的高溫輔助激光沖擊強(qiáng)化（WLSP）技術(shù),WLSP技術(shù)結(jié)合了應(yīng)變時(shí)效和動(dòng)態(tài)析出效應(yīng),能在提高試驗(yàn)材料塑性的同時(shí)產(chǎn)生新的沉淀相,有效提高了殘余壓應(yīng)力穩(wěn)定性,從而增強(qiáng)了抗疲勞性。然而,采用傳統(tǒng)加熱板為熱源進(jìn)行高溫輔助時(shí),其加熱靈活性差、效率低,并且需要使用高溫易碎裂的玻璃作為約束層,無(wú)法用于曲面加工。激光作為一種局部加熱方式,能量密度高,能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)光斑區(qū)域?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)加熱[12]。周建東等[13]研發(fā)了一種硬脆材料用高功率連續(xù)激光輔助加熱+高功率脈沖激光噴丸強(qiáng)化處理相結(jié)合的方法及配套裝置,采用胡耀武等[14]在脈沖激光強(qiáng)化的基礎(chǔ)上增添多束低功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光輔助加熱,相較于傳統(tǒng)激光沖擊強(qiáng)化增強(qiáng)了材料的疲勞性能和斷裂韌性。 

采用激光對(duì)強(qiáng)化面進(jìn)行輔助加熱時(shí)受約束層影響其加熱效果不明顯。背面連續(xù)激光加熱不僅可以實(shí)現(xiàn)使用流動(dòng)水作為約束層,還能增強(qiáng)熱效應(yīng),增加熱影響層厚度。目前,有關(guān)背面連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化效果的研究明顯不足。為此,作者采用高能激光束局部加熱試樣背面+脈沖激光沖擊強(qiáng)化試樣正面的方法對(duì)TC4鈦合金板進(jìn)行表面強(qiáng)化處理,以未強(qiáng)化和傳統(tǒng)激光沖擊強(qiáng)化試樣為對(duì)比,研究了不同連續(xù)激光功率下試樣溫度、物相、硬度和表面及深度方向殘余應(yīng)力分布。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為退火態(tài)TC4鈦合金軋制板材,尺寸為1 000 mm×800 mm×2 mm,由寶雞福瑞隆新材料科技發(fā)展有限公司提供,化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為6.24Al,0.174Fe,4.34V,0.009C,0.000 6H,0.006N,0.141O。 

在鈦合金板上切取尺寸為30 mm×15 mm×2 mm的試樣,試樣正面依次經(jīng)240#~2 000#砂紙打磨并進(jìn)行超聲波清洗后,采用TRLi ST 850-10型Nd∶YAG脈沖激光器和YLR-200-MM-AC型連續(xù)波光纖激光器進(jìn)行連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化（AP-LSP）,強(qiáng)化區(qū)域如圖1（a）所示。試樣沿預(yù)設(shè)的掃描路徑移動(dòng),脈沖激光和連續(xù)激光從兩側(cè)同軸分別作用在試樣正面和背面,如圖1（b）所示。脈沖激光波長(zhǎng)為1 064 nm,頻率為1 Hz,脈寬為10 ns,激光能量密度為6 GW·cm−2,圓形光斑直徑為1.0 mm,搭接率為50%,保護(hù)層為120 μm厚的鋁箔,約束層為流動(dòng)水；連續(xù)激光波長(zhǎng)為1 064 nm,圓形光斑直徑為6 mm,功率為40~100 W。使用TCM-UA型熱電偶和AT61P6X型紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)試樣正背面溫度,測(cè)點(diǎn)在激光照射中心區(qū)域。將強(qiáng)化前的試樣和不進(jìn)行連續(xù)激光輔助的脈沖激光沖擊強(qiáng)化試樣（工藝參數(shù)相同）作為對(duì)照。 

圖  1  連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域及過(guò)程示意

Figure  1.  Area (a) and process (b) diagrams of continuous laser-assisted laser shock peening

采用VK-X200K型激光共聚焦顯微鏡觀察試樣背面三維形貌并測(cè)試其表面粗糙度。采用XRD-7000型X射線衍射儀（XRD）對(duì)試樣正面進(jìn)行物相分析,掃描電壓為40 kV,掃描電流為30 mA,掃描速率為5 （°）·min−1,掃描范圍在30°~90°。采用HV-1000Z型顯微硬度計(jì)測(cè)試試樣正面顯微硬度,載荷為0.98 N,保載時(shí)間為10 s。采用AST-XL640型殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試殘余應(yīng)力,銅靶,Kα射線,衍射角在135°~148°,測(cè)試電壓為25 kV,電流為6 mA,準(zhǔn)直管光斑直徑為2 mm,應(yīng)力常數(shù)為−277 MPa,測(cè)試晶面為{213}晶面,{213}晶面的X射線彈性常數(shù)${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\{</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">213</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\}</span>}$和$\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\{</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">213</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\}</span>}$分別為−2.83×10−6,11.68×10−6 mm2·N−1,使用sin² Ψ法分析測(cè)試結(jié)果。使用由4% HF+ 14% HNO3 + 82% H2O（體積分?jǐn)?shù)）配制而成的溶液對(duì)試樣進(jìn)行電解剝層以測(cè)試不同深度的殘余應(yīng)力,使用配套的螺旋測(cè)微儀測(cè)量電解剝層深度,每次腐蝕10 s,每層測(cè)3點(diǎn),直到殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1   背面三維形貌和溫度

由圖2可見(jiàn)：連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化前試樣背面均呈連續(xù)凹凸不平的峰谷形貌,峰谷之間最大高度差為9.4 μm。計(jì)算可得不同試樣的背面形貌相似,背面的表面粗糙度Ra均在0.94~0.99 μm,因此可以忽略背面粗糙度差異對(duì)連續(xù)激光吸收率的影響,認(rèn)為所有試樣背面對(duì)輔助加熱的激光吸收率相同。 

圖  2  連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化前不同試樣背面三維形貌

Figure  2.  Three-dimensional morphology of back surface of different samples before continuous laser-assisted laser shock peening

由圖3可見(jiàn)：隨著連續(xù)激光功率由40 W增大至100 W,試樣背面溫度從110 ℃提高至310 ℃,呈線性升高；正面溫度同樣呈上升趨勢(shì),但升溫速率減小,最終正面溫度穩(wěn)定在90~95 ℃。這是因?yàn)樵嚇诱娉諝馔膺€有流動(dòng)水約束層,隨著激光功率增大,正面溫度與水溫的溫差增大,熱流密度增大,單位時(shí)間內(nèi)的傳熱熱量增大,對(duì)流換熱劇烈,所以正面溫度升高趨勢(shì)逐漸平緩。 

圖  3  連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣正面和背面溫度隨連續(xù)激光功率的變化曲線

Figure  3.  Chang curves of front (a) and back (b) temperature vs continuous laser power of continuous laser-assisted laser shock peening sample

2.2   物相組成

TC4鈦合金中β相含量較少且分布零散,XRD檢測(cè)難以采集對(duì)應(yīng)峰。由圖4可見(jiàn)：未強(qiáng)化和不同工藝激光強(qiáng)化試樣的XRD譜中主要為α相衍射峰；相比未強(qiáng)化試樣,激光沖擊強(qiáng)化和連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的XRD譜中均無(wú)新峰出現(xiàn),表明強(qiáng)化過(guò)程中的溫度并未達(dá)到TC4鈦合金的相變溫度。 

圖  4  未強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化和不同功率連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的XRD譜

Figure  4.  XRD patterns of samples without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power

2.3   表面硬度

由圖5可見(jiàn)：未強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化試樣的正面硬度分別為346.1,368.7 HV,不同功率連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的正面硬度在373.9~378.5 HV,功率的變化對(duì)硬度影響幾乎可以忽略不計(jì)。材料硬度主要受晶粒大小和位錯(cuò)密度的影響,激光沖擊強(qiáng)化后試樣正面表層位錯(cuò)密度增大,硬度提高；連續(xù)激光輔助會(huì)使試樣溫度升高,改善其塑性,從而提高強(qiáng)化效果,但由于溫度提高幅度較小（100 ℃以下）,同時(shí)溫度的升高也會(huì)加速位錯(cuò)湮滅,因此連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的硬度相較激光沖擊強(qiáng)化試樣提高不明顯。 

圖  5  未強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化和不同功率連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的表面顯微硬度

Figure  5.  Surface microhardness of samples at without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power

2.4   殘余應(yīng)力

由圖6可見(jiàn)：未強(qiáng)化試樣、激光沖擊強(qiáng)化試樣和連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的表面殘余壓應(yīng)力依次增加。未強(qiáng)化試樣的殘余壓應(yīng)力由磨拋引入；對(duì)其進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化后由于溫度升高,材料軟化,塑性變形能力提高,因此殘余壓應(yīng)力增加；使用高能激光束在其背面進(jìn)行輔助加熱后,在激光沖擊效應(yīng)和加熱效應(yīng)的共同作用下材料的塑性變形能力更強(qiáng),變形程度更大,使得殘余壓應(yīng)力進(jìn)一步增大。隨著連續(xù)激光功率增加,試樣表面殘余壓應(yīng)力先增加后減小,這是因?yàn)樵诹鲃?dòng)水約束層的冷卻作用下,功率合適的激光可以在快速對(duì)試樣進(jìn)行精準(zhǔn)局部加熱的同時(shí)避免試樣整體溫度提升而導(dǎo)致的硬度降低和殘余應(yīng)力釋放,而激光功率過(guò)高則會(huì)使熱量積累,使得試樣整體處于較高溫度,從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力松弛[15]。 

圖  6  不同處理態(tài)試樣的殘余應(yīng)力沿深度方向分布

Figure  6.  Residual stress distribution along depth direction of samples at different treatment states

未強(qiáng)化試樣、激光沖擊強(qiáng)化試樣和連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的殘余壓應(yīng)力影響層深度依次增大；隨著連續(xù)激光功率增加,殘余壓應(yīng)力影響層深度先增后減,當(dāng)連續(xù)激光功率為60 W時(shí)達(dá)到最大,為470 μm,相比激光沖擊強(qiáng)化試樣（370 μm）增加了100 μm。隨著距材料正面（強(qiáng)化面）距離增加,激光沖擊波峰值壓力逐步衰減,誘導(dǎo)塑性變形能力減弱；增加連續(xù)激光背面輔助加熱后材料聲阻抗減小,減緩了沖擊波在材料內(nèi)部的衰減,使得沖擊波傳播距離更遠(yuǎn),能夠誘導(dǎo)更深處的材料發(fā)生塑性變形；然而,連續(xù)激光作用導(dǎo)致的殘余應(yīng)力增加和溫度升高引起的殘余應(yīng)力松弛存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,激光功率過(guò)大時(shí)反而會(huì)使殘余應(yīng)力大小和影響層深度減小[15]。 

3.   結(jié)論

（1）隨著連續(xù)激光功率增大,連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化TC4鈦合金試樣背面溫度呈線性升高,正面溫度同樣升高但升高趨勢(shì)變緩,逐漸趨于平穩(wěn),且強(qiáng)化過(guò)程中溫度的升高未引發(fā)TC4鈦合金相變。 

（2）相較未強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化試樣,連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的正面硬度增大,但連續(xù)激光功率變化對(duì)硬度無(wú)顯著影響。 

（3）相較未強(qiáng)化和激光沖擊強(qiáng)化試樣,連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化試樣的表面殘余壓應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力影響層深度增加,并且二者均隨著連續(xù)激光功率增加呈先增加后減小的趨勢(shì),當(dāng)連續(xù)激光功率為60 W時(shí)達(dá)到最大,分別為431.4 MPa,470 μm。

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