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,其通過誘導(dǎo)金屬表面塑性變形來改善微觀結(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。為解決這一問題,一些學(xué)者提出增添熱效應(yīng)輔助提高材料塑性來提升激光沖擊強(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)變時效和動態(tài)析出效應(yīng),能在提高試驗材料塑性的同時產(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,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,能在短時間內(nèi)對光斑區(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。

采用激光對強(qiáng)化面進(jìn)行輔助加熱時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現(xiàn)使用流動水作為約束層,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. 試樣制備與試驗方法

試驗材料為退火態(tài)TC4鈦合金軋制板材,尺寸為1000mm×800mm×2mm,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30mm×15mm×2mm的試樣,試樣正面依次經(jīng)240#~2000#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,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。脈沖激光波長為1064nm,頻率為1Hz,脈寬為10ns,激光能量密度為6GW·cm−2,圓形光斑直徑為1.0mm,搭接率為50%,保護(hù)層為120μm厚的鋁箔,約束層為流動水；連續(xù)激光波長為1064nm,圓形光斑直徑為6mm,功率為40~100W。使用TCM-UA型熱電偶和AT61P6X型紅外測溫儀監(jiān)測試樣正背面溫度,測點在激光照射中心區(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）作為對照。

圖 1連續(xù)激光輔助激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域及過程示意

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試其表面粗糙度。采用XRD-7000型X射線衍射儀（XRD）對試樣正面進(jìn)行物相分析,掃描電壓為40kV,掃描電流為30mA,掃描速率為5（°）·min−1,掃描范圍在30°~90°。采用HV-1000Z型顯微硬度計測試試樣正面顯微硬度,載荷為0.98N,保載時間為10s。采用AST-XL640型殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)測試殘余應(yīng)力,銅靶,Kα射線,衍射角在135°~148°,測試電壓為25kV,電流為6mA,準(zhǔn)直管光斑直徑為2mm,應(yīng)力常數(shù)為−277MPa,測試晶面為{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−2.83×10−6,11.68×10−6mm2·N−1,使用sin²Ψ法分析測試結(jié)果。使用由4% HF+ 14% HNO3+ 82% H2O（體積分?jǐn)?shù)）配制而成的溶液對試樣進(jìn)行電解剝層以測試不同深度的殘余應(yīng)力,使用配套的螺旋測微儀測量電解剝層深度,每次腐蝕10s,每層測3點,直到殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力時結(jié)束試驗。

2. 試驗結(jié)果與討論

2.1 背面三維形貌和溫度

由圖2可見：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9.4μm。計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0.94~0.99μm,因此可以忽略背面粗糙度差異對連續(xù)激光吸收率的影響,認(rèn)為所有試樣背面對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：隨著連續(xù)激光功率由40W增大至100W,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,但升溫速率減小,最終正面溫度穩(wěn)定在90~95℃。這是因為試樣正面除空氣外還有流動水約束層,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,單位時間內(nèi)的傳熱熱量增大,對流換熱劇烈,所以正面溫度升高趨勢逐漸平緩。

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檢測難以采集對應(yīng)峰。由圖4可見：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譜中均無新峰出現(xiàn),表明強(qiáng)化過程中的溫度并未達(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：未強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化試樣的正面硬度分別為346.1,368.7HV,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373.9~378.5HV,功率的變化對硬度影響幾乎可以忽略不計。材料硬度主要受晶粒大小和位錯密度的影響,激光沖擊強(qiáng)化后試樣正面表層位錯密度增大,硬度提高；連續(xù)激光輔助會使試樣溫度升高,改善其塑性,從而提高強(qiáng)化效果,但由于溫度提高幅度較?。?00℃以下）,同時溫度的升高也會加速位錯湮滅,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：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,這是因為在流動水約束層的冷卻作用下,功率合適的激光可以在快速對試樣進(jìn)行精準(zhǔn)局部加熱的同時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,而激光功率過高則會使熱量積累,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時達(dá)到最大,為470μm,相比激光沖擊強(qiáng)化試樣（370μm）增加了100μm。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)力松弛存在競爭機(jī)制,激光功率過大時反而會使殘余應(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變緩,逐漸趨于平穩(wěn),且強(qiáng)化過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)激光功率變化對硬度無顯著影響。

（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,當(dāng)連續(xù)激光功率為60W時達(dá)到最大,分別為431.4MPa,470μm。

文章來源——材料與測試網(wǎng)