激光沖擊強(qiáng)化對(duì)熔覆后TC4鈦合金性能的提高

汪 誠，賴志林，安志斌，何衛(wèi)鋒，周留成

(空軍工程大學(xué)等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710038)

TC4鈦合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、渦輪等重要部件.在使用過程中，由于應(yīng)力腐蝕開裂和疲勞的原因［1］，造成有部分航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件達(dá)不到設(shè)計(jì)使用時(shí)限.如何對(duì)產(chǎn)生裂紋后的鈦合金部件進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化，提高鈦合金構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，延長其服役壽命，提高其工作可靠性，已受到人們的關(guān)注.激光熔覆技術(shù)可對(duì)金屬損壞部件進(jìn)行高質(zhì)量修復(fù)，與工業(yè)中常用的堆焊、氬弧焊和等離子噴焊等相比，具有熱影響區(qū)小、工件變形小、熔覆區(qū)硬度高等優(yōu)點(diǎn)［2］.因此，通過在材料表面形成保護(hù)層來提高材料的抗磨損、抗腐蝕性能，從而提高部件的可靠使用時(shí)間，現(xiàn)在激光熔覆技術(shù)已經(jīng)在燃?xì)廨啓C(jī)葉片和閥門座的修復(fù)中得到應(yīng)用［3］.但激光熔覆可能產(chǎn)生結(jié)合力不足的拉應(yīng)力層，以及高密度激光束引起的重熔會(huì)影響金屬結(jié)構(gòu)性能和疲勞性能.

激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是一種新的表面處理工藝.通過高能量密度短脈沖(納秒數(shù)量級(jí))激光束產(chǎn)生的高強(qiáng)度沖擊波引起材料表面改性，能夠產(chǎn)生數(shù)百M(fèi)Pa的殘余壓應(yīng)力，大幅提高材料的表面硬度、強(qiáng)度和疲勞性能［4］.國內(nèi)對(duì)激光沖擊強(qiáng)化用于提高材料焊接接頭性能進(jìn)行了很多研究［5］.許海鷹等［6］用脈寬30 ns、能量40 J的調(diào)Q摻釹玻璃激光對(duì)TC4鈦合金鎢極惰性氣體(TIG)焊焊縫進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化處理，處理后焊接區(qū)域表面硬度增加，熱影響區(qū)晶粒得到細(xì)化.研究表明［7］，與傳統(tǒng)表面處理工藝相比，激光沖擊強(qiáng)化在表面下產(chǎn)生的納米組織和殘余應(yīng)力使得金屬具有較高熱穩(wěn)定性.

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等高溫部件，熱穩(wěn)定性至關(guān)重要，而鈦合金常用作渦輪葉片.為此，本研究主要進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化提高熔覆后鈦合金的高周疲勞性能和抗應(yīng)力腐蝕開裂性能的研究.

1 材料與方法

材料為TC4鈦合金試樣.TC4為中等強(qiáng)度的α+β型兩相鈦合金.TC4化學(xué)成分如下:w(Al)=5.500%～6.800%，w(V)=3.500%～4.500%，w(Fe)≤0.300%，w(C)≤0.100%，w(N)≤0.050%，w(H)≤0.015%，w(O)≤0.200%，w(Ti)其余.TC4熔覆工件規(guī)格140 mm×28 mm，厚度25 mm，處理區(qū)域60 mm×28 mm，如圖1所示.

激光熔覆所用的試驗(yàn)裝置由RS－850型5 kW的CO2連續(xù)激光器、LPM－408四軸聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)、JPSF－2型送粉器、送粉嘴和輔助裝置組成，載粉氣體和激光熔池保護(hù)氣體為氬氣.粉末為TC4鈦合金粉末，微粒為60～120 μm球體.熔覆參數(shù)如下:激光能量2400 W，掃描速度為8 mm·s－1，光斑直徑為2.5 mm，送粉速度為5 g·min－1，重復(fù)率為30%.

圖1 試件及凹槽處理區(qū)域

激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)在本單位開發(fā)的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)YLSS－05A上完成.整套系統(tǒng)由SGH－60型高功率調(diào)Q脈沖Nd:YAG激光器、五自由度工件夾持運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、水約束系統(tǒng)和控制與監(jiān)控系統(tǒng)4部分組成.激光器參數(shù):激光波長為532 nm，激光能量為6 J，功率密度為4 GW·cm－2，脈寬為10 ns，光斑搭接率為70%，水約束層厚度為2 mm，吸收保護(hù)層為0.1 mm的鋁箔.對(duì)基體、熱影響區(qū)和修復(fù)區(qū)進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化，強(qiáng)化區(qū)域如圖2所示.

圖2 激光強(qiáng)化區(qū)域和殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)示意圖

2 結(jié)果及分析

2.1 顯微硬度

使用HVS－1000型顯微硬度計(jì)，采用靜態(tài)壓痕法，加載重量為500 g，加載時(shí)間為10 s，每個(gè)區(qū)域測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，取平均值.顯微硬度測(cè)試結(jié)果如表1所示.

表1 兩種工藝處理后焊接件硬度比較

硬度反映了不同區(qū)域不同晶相組織和性能.與未進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的修復(fù)件相比，激光熔覆+激光沖擊強(qiáng)化處理過的試樣基體、修復(fù)區(qū)和熱影響區(qū)硬度都得到提高.根據(jù)Rabinowicz磨損定律［8］:

式中:W是每單位滑行距離的磨損體積;P是實(shí)際載荷;H是磨損表面的硬度;K是磨損系數(shù).可見，硬度增加時(shí)，摩擦系數(shù)峰值減小，硬度的增加能夠提高材料抗磨損性能.

2.2 殘余應(yīng)力

采用X－350A X射線應(yīng)力測(cè)定儀，試驗(yàn)執(zhí)行GB 7704—87《X射線應(yīng)力測(cè)定方法》的規(guī)定，測(cè)量方法為側(cè)傾固定Ψ法，定峰方法為交相關(guān)法，Cr-Kα輻射.在基體、熱影響區(qū)、修復(fù)區(qū)按比例各選5個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，取平均值.測(cè)試點(diǎn)和區(qū)域示意圖如圖2所示，測(cè)量方向?yàn)檩S向.殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見表2.

表2 兩種工藝處理后焊接件殘余應(yīng)力

由表2可知:激光沖擊強(qiáng)化后在材料表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，基體的殘余應(yīng)力由－11.5 MPa增加到－671.8 MPa.激光沖擊強(qiáng)化后修復(fù)區(qū)和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力分別為－448.9 MPa和－659.4 MPa，而強(qiáng)化前的殘余應(yīng)力分別為224.7 MPa和28.4 MPa，為拉應(yīng)力.其他研究者的結(jié)果也證實(shí)了激光熔覆會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力［3］.這是由于熔覆時(shí)凝固收縮引起的.對(duì)于多層結(jié)構(gòu)，由熱梯度下降和塑性流動(dòng)對(duì)殘余應(yīng)力的解除作用減弱，從而在材料表面形成較高殘余應(yīng)力.

材料表面殘余壓應(yīng)力對(duì)材料抗疲勞強(qiáng)度有顯著影響.殘余應(yīng)力在疲勞載荷中起著平衡應(yīng)力的等效作用，殘余壓應(yīng)力相當(dāng)于負(fù)的平均殘余應(yīng)力，能提高工件抗疲勞強(qiáng)度;殘余拉應(yīng)力則會(huì)降低工件抗疲勞強(qiáng)度.殘余壓應(yīng)力高，工件抗疲勞性能強(qiáng).另一方面，殘余壓應(yīng)力能使部件實(shí)際承受的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK下降，從而降低裂紋擴(kuò)展速率，提高部件的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力［9］.激光沖擊強(qiáng)化處理熔覆工件，消除了熔覆產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，在材料表面形成了殘余壓應(yīng)力，從而提高材料的抗疲勞性能.

2.3 組織形態(tài)

激光熔覆試樣橫截面顯微組織如圖3所示.

圖3 橫截面顯微組織

激光沖擊強(qiáng)化前后試樣組織結(jié)構(gòu)和選區(qū)電子衍射如圖4所示.透射電子顯微鏡(TEM)分析顯示:3次激光沖擊強(qiáng)化后，形成納米級(jí)晶粒層(＜100 nm).由圖4b中的選區(qū)電子衍射圖可知:選區(qū)納米級(jí)晶粒的角度較大.在部分激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域晶粒尺寸由沖擊前幾μm減小到?jīng)_擊后20 nm.

圖4 激光沖擊強(qiáng)化前后組織結(jié)構(gòu)

2.4 拉伸性能

拉伸試驗(yàn)使用WDW－100萬能試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，在室溫下進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸速度為0.1 mm·min－1.不同試樣的拉伸性能試驗(yàn)強(qiáng)度如表3所示.由表3可知:激光熔覆+激光沖擊強(qiáng)化試樣的拉伸性能較好.

表3 TC4鈦合金不同處理方式下的拉伸強(qiáng)度 MPa

2.5 高周疲勞性能

疲勞強(qiáng)度是表征材料與結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要參量之一.取兩種狀態(tài)試件各20件，參照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》，在MTS880試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高周疲勞試驗(yàn).應(yīng)力比R=0.1，加載頻率為100 Hz，溫度為25℃.試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理參照HB/Z 112—86《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法》進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)應(yīng)力和對(duì)數(shù)循環(huán)次數(shù)在圖上作點(diǎn)，繪制S－N曲線(見圖5).由圖5可知:激光沖擊強(qiáng)化處理熔覆試件后，疲勞強(qiáng)度由285 MPa增加到330 MPa，提高鈦合金熔覆試件疲勞強(qiáng)度為15.8%.

圖5 TC4鈦合金疲勞性能

根據(jù) Tao N.R.等研究結(jié)果［10］，納米級(jí)晶粒使材料表層界面體積分?jǐn)?shù)大大提高，表面能增加，有利于部件疲勞壽命提高.S.Suresh研究［11］表明，殘余壓應(yīng)力和表面加工硬化層的提高，對(duì)部件疲勞強(qiáng)度的提高有重要作用.激光沖擊強(qiáng)化在材料表層產(chǎn)生納米級(jí)的細(xì)化晶粒、數(shù)值高的殘余壓應(yīng)力和較高的硬度，是部件疲勞性能提高的本質(zhì)原因.

3 結(jié)論

1)激光熔覆+激光沖擊強(qiáng)化的復(fù)合修復(fù)技術(shù)，是提高TC4鈦合金高周疲勞性能的高效的表面修復(fù)工藝.激光沖擊強(qiáng)化處理后的TC4鈦合金激光熔覆試件，疲勞強(qiáng)度提高了15.8%.

2)激光沖擊強(qiáng)化對(duì)熔覆后TC4鈦合金疲勞性能的提高，是沖擊形成的殘余壓應(yīng)力和納米晶層共同作用的結(jié)果.

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