槐艷艷，趙吉賓，喬紅超，張洪瑤

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110176;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

薄壁鈦合金Ti17激光沖擊強(qiáng)化表面完整性研究*

槐艷艷1,2，趙吉賓2，喬紅超2，張洪瑤1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110176;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

針對(duì)激光沖擊強(qiáng)化在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)Ti17鈦合金沖擊后的表面完整性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為工程應(yīng)用提供重要參考依據(jù)。文章采用不同光斑密度和激光能量對(duì)鈦合金薄板進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)表面完整性三個(gè)因素表面粗糙度、殘余應(yīng)力、顯微硬度進(jìn)行研究。沖擊后零件表面粗糙度增大，且光斑密度的貢獻(xiàn)較為顯著。對(duì)殘余壓應(yīng)力進(jìn)行了量化研究，以應(yīng)力值為目標(biāo)進(jìn)行了回歸方程的擬合和方差分析。殘余應(yīng)力二維分布存在差異，為優(yōu)化沖擊路徑提供了數(shù)據(jù)參考和理論指導(dǎo)。對(duì)深度方向的顯微硬度進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)用Ti17為混合組織，片層狀的次生α相在沖擊波的作用下發(fā)生球化形成等軸納米晶，導(dǎo)致沖擊后其顯微硬度降低。

激光光學(xué)；鈦合金；激光沖擊強(qiáng)化

0 引言

表面完整性是零件表面幾何紋理和物理性質(zhì)的總稱，包括表面粗糙度、顯微組織、殘余應(yīng)力等參量。殘余應(yīng)力、組織結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和顯微硬度是對(duì)微動(dòng)疲勞影響最主要的因素。任何一種金屬材料及其零件的疲勞斷裂源絕大多數(shù)萌生于表面。Ti17合金是一種具有高強(qiáng)度、高韌性和高淬透性的“三高”合金，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的軸、壓氣機(jī)盤及葉片、起落架等部件，Ti17是一種表面完整性非常敏感的材料，且強(qiáng)度越高敏感性越高[1]，其主要失效形式為疲勞斷裂。隨著新的研制需求，鈦合金零件越來(lái)越薄，同時(shí)又需要具有更高的強(qiáng)度和抗損傷性能，在不改變基體材料性能的前提下，合理的激光沖擊強(qiáng)化可以改善金屬材料的表面完整性，是提高疲勞性能的重要手段。

眾多學(xué)者對(duì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了大量研究并取得了豐富的成果，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)可引入較大的殘余壓應(yīng)力提高疲勞壽命已得到廣泛認(rèn)可[2-5]?，F(xiàn)有的研究中采用的試樣厚度3 mm以下的較少[6-8]，學(xué)者C.Cellard, D.Retraint對(duì)1mm厚的鈦合金薄板激光沖擊后卻在零件表層檢測(cè)到拉應(yīng)力，這與預(yù)期的效果是相反的[9]，因此充分發(fā)揮激光沖擊強(qiáng)化的有利因素，避免或減少不利因素是有效利用該技術(shù)的關(guān)鍵。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文采用2 mm厚的Ti17鈦合金材料為研究對(duì)象，填補(bǔ)了該厚度的研究空白，豐富了鈦合金薄壁件激光沖擊強(qiáng)化的研究?jī)?nèi)容，且航空領(lǐng)域?qū)Ρ”诩写罅啃枨螅虼藶榧す鉀_擊強(qiáng)化在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可靠的工藝參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

Ti17鈦合金不但具有α+β型合金的特點(diǎn)，也是一種富β穩(wěn)定元素的過(guò)渡型合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，合金元素含量總和17% 。其成分如表1所示[10]，其中Al、Sn、Zr金屬元素主要用于固溶強(qiáng)化α相，Mo既能強(qiáng)化β相又能提高合金的淬透性，Cr穩(wěn)定的β相比其它同晶型β穩(wěn)定元素具有更高的延展性和韌性。其主要性能如表2[10]。 試樣尺寸為10 mm× 60 mm×2 mm。

表1 Ti17 鈦合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%)

表2 Ti17的主要材料性能

1.2 設(shè)備及方法

試件加工過(guò)程中由于切削力和切削熱的作用會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，為避免應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，沖擊試驗(yàn)前用HY4050 豪克能應(yīng)力消除設(shè)備( 頻率為 40 kHz ，輸出振幅為 50μm)對(duì)試件進(jìn)行去應(yīng)力處理。試件沖擊強(qiáng)化前用100#～2000#的SiC砂紙逐級(jí)打磨，再用三氧化二鉻水溶液(Cr2O3) 進(jìn)行拋光直至表面光潔無(wú)劃痕，最后用無(wú)水乙醇清洗。

試驗(yàn)采用的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)示意如圖1所示。激光器采用Extra 系列脈沖納秒Nd:YAG激光器，波長(zhǎng)為1064 nm,光斑直徑4 mm，采用黑膠帶(厚度0.2 mm)做為吸收保護(hù)層，以流動(dòng)水膜做為約束層(厚度約2 mm)，試件背面夾具材料為鋁合金。在其他試驗(yàn)條件一致情況下，對(duì)光斑密度分別為12 cm-2、18 cm-2、27 cm-2三水平和激光能量3J、5J、7J水平的全因素單面沖擊試驗(yàn)。單個(gè)光斑面積有限，要實(shí)現(xiàn)大面積的沖擊強(qiáng)化需通過(guò)光斑的搭接實(shí)現(xiàn)。以往的研究中采用的光斑搭接方案如圖2a所示[4,11-13]，當(dāng)光斑密度小于15 cm-2時(shí)試樣表面不能完全被光斑覆蓋，通過(guò)改進(jìn)搭接方案可避免該問(wèn)題，因此采用圖2b所示意的搭接方案和沖擊路徑。當(dāng)大面積沖擊時(shí)，光斑在沖擊表面呈周期性重復(fù)分布，對(duì)試件表面全部進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)結(jié)束后去除殘余黑膠帶，用無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)示意圖

1.3 檢測(cè)方法

為避免沖擊區(qū)域接近試樣邊緣帶來(lái)的邊際效應(yīng)，研究區(qū)域靠近試樣中心位置遠(yuǎn)離邊緣2 mm以內(nèi)。沖擊強(qiáng)化前和沖擊強(qiáng)化后的全部零件都采用Taylor Hobson Surtronic 3+系列表面粗糙度儀沿x方向和y方向各5次進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量，取平均值最為每個(gè)零件的最終測(cè)量結(jié)果。采用ZYGO公司的NewView5022型表面輪廓儀(橫向分辨率11 nm，垂直分辨率0.1 nm/3nm/20 nm，最大掃描深度2～150μm)對(duì)沖擊強(qiáng)化前和強(qiáng)化后的所以零件的光學(xué)三維輪廓全部進(jìn)行了測(cè)量。采用Proto-LXRD型大功率X射線應(yīng)力分析儀，側(cè)傾固定 Ψ 法對(duì)表面殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)參數(shù)如表3所示。分別測(cè)量光斑中心和搭接處兩點(diǎn)的x方向的殘余應(yīng)力值，取算數(shù)平均值為該零件的x方向的應(yīng)力值，同理測(cè)得y方向的應(yīng)力值。用HV-1000型硬度計(jì)測(cè)量深度方向的顯微硬度，因光斑在試樣表面二維空間呈周期分布，取最小周期3mm×3mm的矩形為測(cè)量區(qū)域，以矩形中心為起點(diǎn)，分別沿水平和豎直軸的正負(fù)兩個(gè)方向距離起點(diǎn)0.75 mm、1.5 mm處共取9點(diǎn)，加載重量500 g ，保持載荷15 s，最后取平均值。

(a) 以往的搭接方案 (b) 本文搭接方案 圖2 搭接路徑示意圖

參數(shù)值衍射晶面(213)管電壓(kV)25管電流(mA)30準(zhǔn)直管直徑(mm)2

2 結(jié)果與分析

2.1 表面形貌

零件表面質(zhì)量對(duì)疲勞性能和磨損性能都有重要影響，關(guān)系到產(chǎn)品使用壽命。搭接沖擊處理工藝中如果吸收層或者沖擊能量選擇不當(dāng)，工件表面會(huì)發(fā)生熔融與汽化，使得表面粗糙度降低。因此分析沖擊處理前后的表面形貌對(duì)評(píng)價(jià)工藝參數(shù)有重要意義。

表面粗糙度測(cè)量結(jié)果Ra和Rz及其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差如圖3和圖4所示。沖擊強(qiáng)化前零件的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果非常相近，Ra在0.0242μm左右，Rz在0.123μm左右。沖擊強(qiáng)化后零件的表面粗糙度值均有明顯的增加，其中光斑密度12 cm-2、激光能量3J時(shí)零件的表面粗糙度值最小，在光斑密度27cm-2、激光能量7J的表面檢測(cè)到最大粗糙度值Ra0.1262μm，Rz0.4096μm。由測(cè)量結(jié)果可知，相同激光能量沖擊后的表面粗糙度值沒(méi)有明顯變化，而光斑密度則對(duì)表面粗糙度的貢獻(xiàn)較為顯著。

圖3 沖擊前和沖擊后表面粗糙度Ra測(cè)量結(jié)果

圖4 沖擊前和沖擊后表面粗糙度Rz測(cè)量結(jié)果

沖擊強(qiáng)化前試件表面均勻平整，峰谷值(PV)為3.075μm，峰值1.44227μm，谷值-1.6337μm。沖擊后的試樣的峰值有微小波動(dòng)在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。沖擊強(qiáng)化過(guò)程中受到?jīng)_擊波的力學(xué)作用，零件表層產(chǎn)生塑形變形，產(chǎn)生凹陷，使得沖擊后零件表面的最低點(diǎn)相較沖擊前試件的最低點(diǎn)的值都有顯著的增加，如圖5所示，在光斑密度146脈沖寬度處檢測(cè)到最大PV值6.901μm。這與其他學(xué)者在不同材料沖擊后的零件表面觀測(cè)到的凹坑現(xiàn)象一致。

圖5 沖擊強(qiáng)化前后的PV值測(cè)量結(jié)果

沖擊強(qiáng)化前，零件表面均勻平整，無(wú)明顯的凸起和凹陷，如圖6a所示。強(qiáng)化后，光斑密度12cm-2時(shí)，零件表面沿x方向光學(xué)檢測(cè)結(jié)果有明顯的衍射條紋產(chǎn)生，例如能量3J光斑密度12cm-2的檢測(cè)結(jié)果圖6b。說(shuō)明在x方向上相鄰光斑的塑形變形量是相同的，而在y方向的變形則呈現(xiàn)沿過(guò)光斑中心的x軸的對(duì)稱分布。光斑能量呈高斯分布，單個(gè)光斑沖擊時(shí)光斑中心區(qū)域變形量大于邊緣，但當(dāng)光斑沿x方向移動(dòng)時(shí)，雖然搭接區(qū)域處于光斑邊緣，但是相鄰光斑沖擊的時(shí)間間隔非常小，在連續(xù)沖擊的作用下搭接區(qū)域與光斑中心的變形量差別不明顯。當(dāng)光斑密度18cm-2時(shí)，雖然y方向的相鄰光斑時(shí)間間隔不變，但是由于光斑密度的增加，相鄰光斑的覆蓋重疊率達(dá)到50%，零件表面每點(diǎn)都經(jīng)過(guò)光斑中心的強(qiáng)化作用，從而使x和y方向的變形差異減小，所以衍射條紋邊界模糊，如圖6c。當(dāng)光斑密度27cm-2時(shí)，光斑重疊率進(jìn)一步增大，零件表面每點(diǎn)都?xì)v經(jīng)多次沖擊，沖擊波的累積作用使材料塑性變形差異減小，甚至達(dá)到飽和，衍射條紋消失，如圖6d所示。

(a) 未沖擊試樣表面光學(xué)三維輪廓

(b) 能量3 J光斑密度12cm-2的三維輪廓

(c) 能量5 J光斑密度18cm-2的三維輪廓

(d) 能量7 J光斑密度27cm-2的三維輪廓圖6 表面三維輪廓測(cè)量結(jié)果

2.2 殘余應(yīng)力

激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，在沖擊波作用下滑移面產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，形成高密度的位錯(cuò)纏結(jié)，在材料表層以塑性變形的形式表現(xiàn)，并形成殘余壓應(yīng)力[4-5,12-13]。

沖擊前x方向殘余應(yīng)力為-14MPa，y方向?yàn)?18MPa，差異微小。表4為沖擊強(qiáng)化后零件表面的殘余應(yīng)力分布。激光能量7J，光斑密度27cm-2時(shí)，x方向和y方向均獲得最大殘余壓應(yīng)力，-384MPa和-467MPa。當(dāng)光斑密度由12 cm-2增加到18 cm-2時(shí)，殘余應(yīng)力增益60%左右，而當(dāng)光斑密度由18 cm-2增加到27 cm-2時(shí)，殘余應(yīng)力增益約200%。以光斑密度和能量為變量因子，沖擊后的殘余壓應(yīng)力值為響應(yīng)，用最小二乘法進(jìn)行回歸方程的擬合，以y方向?yàn)槔玫蕉位貧w方程式(1)。

RS_y=492.117+2.06141A2-6.77583B2-
72.20278A+38.951B+2.55867AB

(1)

回歸方程中參數(shù)A代表激光能量，B代表光斑密度。方差分析結(jié)果如圖7和圖8。相關(guān)系數(shù)R2接近1，P值小于0.01，回歸方程具有顯著意義。分析回歸方程和等高線圖示可知，光斑密度和激光能量及二者的交互作用對(duì)殘余應(yīng)力都有貢獻(xiàn)，且激光能量的作用最顯著。x方向的殘余應(yīng)力結(jié)果相似。

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雖然兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力都有提高，但相同激光參數(shù)的強(qiáng)化結(jié)果y方向的殘余應(yīng)力始終比x方向大。C. Correa對(duì)沖擊后的零件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相同激光參數(shù)沖擊后，零件在疲勞載荷加載方向分別平行于x軸和y軸得到的疲勞壽命結(jié)果不同。載荷平行于x軸的疲勞壽命大于載荷平行于y軸時(shí)獲得的疲勞壽命[14]。本文通過(guò)殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，當(dāng)光斑行蛇形路徑進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，得到的零件表面不再是各向同性。這一結(jié)論，可根據(jù)零件服役時(shí)所受到的疲勞載荷的方向?qū)_擊路徑進(jìn)行優(yōu)化，使疲勞壽命得到最大程度的提高。

表4 殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果 單位： MPa

圖7 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖8 殘余應(yīng)力響應(yīng)面輪廓圖

2.3 顯微硬度

硬度是材料的一個(gè)綜合性能指標(biāo)也是一個(gè)雙重影響作用的參數(shù)，提高零件表面硬度有利于耐磨性和疲勞裂紋的萌生，但不利于裂紋的擴(kuò)展，對(duì)零件的微動(dòng)疲勞有重要影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭/葉盤榫槽結(jié)構(gòu)既要承受接觸條件下的微動(dòng)磨損又要承受動(dòng)態(tài)疲勞載荷，其微動(dòng)疲勞是重要的失效形式。因此研究沖擊后硬度的改變和影響層的深度有顯著意義[15-18]。

對(duì)沖擊后和沒(méi)有沖擊的試件進(jìn)行了深度方向的顯微硬度的測(cè)量，如圖9所示。與其他材料的研究結(jié)果不同，Ti17鈦合金沖擊強(qiáng)化后硬度有一定幅度的下降，C.Cellard, D.Retraint[9]對(duì)Ti17進(jìn)行多次沖擊強(qiáng)化后顯微硬度沒(méi)有明顯提高，且最小值相比沖擊前硬度有小幅度低降低。試件的顯微硬度由顯微組織和殘余應(yīng)力決定，試件殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果為壓應(yīng)力，所以硬度的降低不是殘余應(yīng)力的作用。實(shí)驗(yàn)所用Ti17鈦合金顯微組織為混合組織，由等軸初生α相，片層狀的次生α相和β相構(gòu)成。Ti17合金是一種對(duì)應(yīng)變率特別敏感的材料，變形程度是影響片狀組織球化的主要因素[16-17]。激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中應(yīng)變率高，片層狀的次生α相在沖擊波的作用下發(fā)生球化形成等軸納米晶，從而引起零件表層顯微硬度的小幅度降低。學(xué)者李應(yīng)紅對(duì)網(wǎng)籃組織Ti17鈦合金沖擊強(qiáng)化后電子衍射觀察結(jié)果表明，晶粒取向已成隨機(jī)分布，完全等軸化[2]。隨光斑密度和激光能量增大，沖擊波壓力增大，光斑覆蓋率增大使得零件受到多次沖擊的累積作用，材料表面位錯(cuò)密度增大，晶粒得到更高程度的細(xì)化，所以相比于用低光斑密度和激光能量強(qiáng)化的試件硬度得到一定的提高。零件背面的顯微硬度分布規(guī)律與正面相似有所降低，沖擊波穿透零件后沒(méi)有完全消散，一部分進(jìn)入夾具一部分反射后作用到零件的背面。

圖9 顯微硬度測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

以厚度2 mm的Ti17鈦合金薄板為沖擊對(duì)象，開展搭接率和激光能量對(duì)沖擊結(jié)果的影響，分析了試樣三維光學(xué)輪廓、殘余應(yīng)力和顯微硬度的分布，結(jié)論如下：

(1) 沖擊波作用于零件在表面形成凹陷導(dǎo)致粗糙度值增加，且光斑密度則對(duì)其貢獻(xiàn)較為顯著。光斑密度12 cm-2時(shí)，零件各向異性特征顯著，在零件表面形成車輪式衍射條紋，隨光斑密度增大，零件被多次沖擊的累積作用增強(qiáng)，衍射條紋逐漸消失。

(2) 2mm厚試件沖擊后表面全部為壓應(yīng)力，回歸分析顯示光斑密度、激光能量及二者的相互作用都對(duì)殘余應(yīng)力都有明顯作用。沖擊后各向異性特征明顯，豎直方向的殘余應(yīng)力始終大于水平方向，可為光斑路徑優(yōu)化提供依據(jù)。

(3)影響顯微硬度的機(jī)理至少包含兩個(gè)。 沖擊波的作用引起片層狀的次生α相形成等軸納米晶，引起零件顯微硬度降低。光斑密度和激光能量增加，零件位錯(cuò)密度增大可提高硬度。二者共同作用使得硬度在一定范圍變化。零件反面與正面硬度分布規(guī)律相似，而內(nèi)部與沖擊前無(wú)顯著差異，沖擊波的反射作用需要進(jìn)一步的研究。

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InvestigationofLaserShockPeeningontheSurfaceIntegrityofTi17Thin-WalledTitaniumAlloy

HUAI Yan-yan1,2, ZHAO Ji-bin2, QIAO Hong-chao2, ZHANG Hong-yao1,2

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110176，China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049，China)

Aiming at the application of laser shock processing on the aero-engine blades, the effects on surface integrity had been systematically investigated which provides important reference for engineering applications. Experimental of LSP has been conducted on the material of Ti17 titanium alloy with different pulse density and laser energy. Surface roughness, residual stress and micro-hardness had been measured. The surface roughness increased after treated and pulse density has greater effect. Compressive residual stress was evaluated quantity. The influence of each processing parameter was statistically evaluated using the analysis of variance (ANOVA) confirming a significant influence. The residual stress has difference between two directions provided a reference to optimize the pulse sequence advancing direction. The micro-hardness decreased due to parts of the secondary platelet α phase turned to equiaxed α phase.

laser optics; titanium alloy; LSP

TH142；TG178

A

1001-2265(2017)12-0073-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.018

2017-2-27；

2017-03-07

國(guó)家重大專項(xiàng)(U1608259)；國(guó)家自然科學(xué)基金(2015020115)

槐艷艷(1988—)，女，河北滄州人，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榧す鉀_擊強(qiáng)化方面的研究，(E-mail)studenthuai_3996@163.com。

(編輯李秀敏)