分享：连续激光辅助激光冲击强化后TC4钛合金板的残余应力分布

0.   引言

大多数金属零件失效源于其表面,表面强化工艺可以有效改善金属表面完整性,提高零件力学性能。常用的表面强化工艺有喷丸强化[1]、超声滚压强化[2]、超声冲击强化[3]、激光冲击强化[4-5]等。其中,激光冲击强化（LSP）具有峰值压力高、应变速率大和灵活性好等优点,其通过诱导金属表面塑性变形来改善微观结构,引入残余压应力,从而显著提高金属零件的抗疲劳性[6]、耐磨性[7]、耐腐蚀性[8],因此得到了广泛关注。 

然而,对于难变形材料,激光冲击强化工艺引入的残余压应力影响层深度有限。为解决这一问题,一些学者提出增添热效应辅助提高材料塑性来提升激光冲击强化效果的方法[9-10]。YE等[11]以AISI 4140钢为研究对象,提出了以加热板为热源的高温辅助激光冲击强化（WLSP）技术,WLSP技术结合了应变时效和动态析出效应,能在提高试验材料塑性的同时产生新的沉淀相,有效提高了残余压应力稳定性,从而增强了抗疲劳性。然而,采用传统加热板为热源进行高温辅助时,其加热灵活性差、效率低,并且需要使用高温易碎裂的玻璃作为约束层,无法用于曲面加工。激光作为一种局部加热方式,能量密度高,能在短时间内对光斑区域实现快速精准加热[12]。周建东等[13]研发了一种硬脆材料用高功率连续激光辅助加热+高功率脉冲激光喷丸强化处理相结合的方法及配套装置,采用胡耀武等[14]在脉冲激光强化的基础上增添多束低功率蓝光半导体激光辅助加热,相较于传统激光冲击强化增强了材料的疲劳性能和断裂韧性。 

采用激光对强化面进行辅助加热时受约束层影响其加热效果不明显。背面连续激光加热不仅可以实现使用流动水作为约束层,还能增强热效应,增加热影响层厚度。目前,有关背面连续激光辅助激光冲击强化效果的研究明显不足。为此,作者采用高能激光束局部加热试样背面+脉冲激光冲击强化试样正面的方法对TC4钛合金板进行表面强化处理,以未强化和传统激光冲击强化试样为对比,研究了不同连续激光功率下试样温度、物相、硬度和表面及深度方向残余应力分布。 

1.   试样制备与试验方法

试验材料为退火态TC4钛合金轧制板材,尺寸为1 000 mm×800 mm×2 mm,由宝鸡福瑞隆新材料科技发展有限公司提供,化学成分（质量分数/%）为6.24Al,0.174Fe,4.34V,0.009C,0.000 6H,0.006N,0.141O。 

在钛合金板上切取尺寸为30 mm×15 mm×2 mm的试样,试样正面依次经240#~2 000#砂纸打磨并进行超声波清洗后,采用TRLi ST 850-10型Nd∶YAG脉冲激光器和YLR-200-MM-AC型连续波光纤激光器进行连续激光辅助激光冲击强化（AP-LSP）,强化区域如图1（a）所示。试样沿预设的扫描路径移动,脉冲激光和连续激光从两侧同轴分别作用在试样正面和背面,如图1（b）所示。脉冲激光波长为1 064 nm,频率为1 Hz,脉宽为10 ns,激光能量密度为6 GW·cm−2,圆形光斑直径为1.0 mm,搭接率为50%,保护层为120 μm厚的铝箔,约束层为流动水；连续激光波长为1 064 nm,圆形光斑直径为6 mm,功率为40~100 W。使用TCM-UA型热电偶和AT61P6X型红外测温仪监测试样正背面温度,测点在激光照射中心区域。将强化前的试样和不进行连续激光辅助的脉冲激光冲击强化试样（工艺参数相同）作为对照。 

图  1  连续激光辅助激光冲击强化区域及过程示意

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

采用VK-X200K型激光共聚焦显微镜观察试样背面三维形貌并测试其表面粗糙度。采用XRD-7000型X射线衍射仪（XRD）对试样正面进行物相分析,扫描电压为40 kV,扫描电流为30 mA,扫描速率为5 （°）·min−1,扫描范围在30°~90°。采用HV-1000Z型显微硬度计测试试样正面显微硬度,载荷为0.98 N,保载时间为10 s。采用AST-XL640型残余应力测试系统测试残余应力,铜靶,Kα射线,衍射角在135°~148°,测试电压为25 kV,电流为6 mA,准直管光斑直径为2 mm,应力常数为−277 MPa,测试晶面为{213}晶面,{213}晶面的X射线弹性常数${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\{</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">213</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\}</span>}$和$\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\{</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">213</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\}</span>}$分别为−2.83×10−6,11.68×10−6 mm2·N−1,使用sin² Ψ法分析测试结果。使用由4% HF+ 14% HNO3 + 82% H2O（体积分数）配制而成的溶液对试样进行电解剥层以测试不同深度的残余应力,使用配套的螺旋测微仪测量电解剥层深度,每次腐蚀10 s,每层测3点,直到残余应力为拉应力时结束试验。 

2.   试验结果与讨论

2.1   背面三维形貌和温度

由图2可见：连续激光辅助激光冲击强化前试样背面均呈连续凹凸不平的峰谷形貌,峰谷之间最大高度差为9.4 μm。计算可得不同试样的背面形貌相似,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异对连续激光吸收率的影响,认为所有试样背面对辅助加热的激光吸收率相同。 

图  2  连续激光辅助激光冲击强化前不同试样背面三维形貌

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

由图3可见：随着连续激光功率由40 W增大至100 W,试样背面温度从110 ℃提高至310 ℃,呈线性升高；正面温度同样呈上升趋势,但升温速率减小,最终正面温度稳定在90~95 ℃。这是因为试样正面除空气外还有流动水约束层,随着激光功率增大,正面温度与水温的温差增大,热流密度增大,单位时间内的传热热量增大,对流换热剧烈,所以正面温度升高趋势逐渐平缓。 

图  3  连续激光辅助激光冲击强化试样正面和背面温度随连续激光功率的变化曲线

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   物相组成

TC4钛合金中β相含量较少且分布零散,XRD检测难以采集对应峰。由图4可见：未强化和不同工艺激光强化试样的XRD谱中主要为α相衍射峰；相比未强化试样,激光冲击强化和连续激光辅助激光冲击强化试样的XRD谱中均无新峰出现,表明强化过程中的温度并未达到TC4钛合金的相变温度。 

图  4  未强化、激光冲击强化和不同功率连续激光辅助激光冲击强化试样的XRD谱

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

由图5可见：未强化、激光冲击强化试样的正面硬度分别为346.1,368.7 HV,不同功率连续激光辅助激光冲击强化试样的正面硬度在373.9~378.5 HV,功率的变化对硬度影响几乎可以忽略不计。材料硬度主要受晶粒大小和位错密度的影响,激光冲击强化后试样正面表层位错密度增大,硬度提高；连续激光辅助会使试样温度升高,改善其塑性,从而提高强化效果,但由于温度提高幅度较小（100 ℃以下）,同时温度的升高也会加速位错湮灭,因此连续激光辅助激光冲击强化试样的硬度相较激光冲击强化试样提高不明显。 

图  5  未强化、激光冲击强化和不同功率连续激光辅助激光冲击强化试样的表面显微硬度

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

2.4   残余应力

由图6可见：未强化试样、激光冲击强化试样和连续激光辅助激光冲击强化试样的表面残余压应力依次增加。未强化试样的残余压应力由磨抛引入；对其进行激光冲击强化后由于温度升高,材料软化,塑性变形能力提高,因此残余压应力增加；使用高能激光束在其背面进行辅助加热后,在激光冲击效应和加热效应的共同作用下材料的塑性变形能力更强,变形程度更大,使得残余压应力进一步增大。随着连续激光功率增加,试样表面残余压应力先增加后减小,这是因为在流动水约束层的冷却作用下,功率合适的激光可以在快速对试样进行精准局部加热的同时避免试样整体温度提升而导致的硬度降低和残余应力释放,而激光功率过高则会使热量积累,使得试样整体处于较高温度,从而导致残余应力松弛[15]。 

图  6  不同处理态试样的残余应力沿深度方向分布

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

未强化试样、激光冲击强化试样和连续激光辅助激光冲击强化试样的残余压应力影响层深度依次增大；随着连续激光功率增加,残余压应力影响层深度先增后减,当连续激光功率为60 W时达到最大,为470 μm,相比激光冲击强化试样（370 μm）增加了100 μm。随着距材料正面（强化面）距离增加,激光冲击波峰值压力逐步衰减,诱导塑性变形能力减弱；增加连续激光背面辅助加热后材料声阻抗减小,减缓了冲击波在材料内部的衰减,使得冲击波传播距离更远,能够诱导更深处的材料发生塑性变形；然而,连续激光作用导致的残余应力增加和温度升高引起的残余应力松弛存在竞争机制,激光功率过大时反而会使残余应力大小和影响层深度减小[15]。 

3.   结论

（1）随着连续激光功率增大,连续激光辅助激光冲击强化TC4钛合金试样背面温度呈线性升高,正面温度同样升高但升高趋势变缓,逐渐趋于平稳,且强化过程中温度的升高未引发TC4钛合金相变。 

（2）相较未强化和激光冲击强化试样,连续激光辅助激光冲击强化试样的正面硬度增大,但连续激光功率变化对硬度无显著影响。 

（3）相较未强化和激光冲击强化试样,连续激光辅助激光冲击强化试样的表面残余压应力和残余压应力影响层深度增加,并且二者均随着连续激光功率增加呈先增加后减小的趋势,当连续激光功率为60 W时达到最大,分别为431.4 MPa,470 μm。

文章来源——材料与测试网