激光沖擊強化技術(shù)對城軌鋁合金車體的性能影響

黃晶晶

(蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 蘇州 215104)

0 引言

在軌道交通領(lǐng)域，鋁合金車體既能夠滿足車體所需的剛度和強度，又能夠達(dá)到車體輕量化的目的。鋁合金車體優(yōu)點眾多，但在設(shè)計和制造過程中鋁合金的疲勞特性、使用壽命、剛度、防腐等問題制約著鋁合金材料的發(fā)展。激光沖擊強化技術(shù)是在金屬材料的表面利用功率較大的沖擊載荷進(jìn)行沖擊，作用時間短。經(jīng)過激光沖擊強化后的金屬表面微觀組織存在較大的位錯密度和較高的殘余壓應(yīng)力，這使得整體金屬材料的力學(xué)性能發(fā)生改變。在城市軌道交通快速發(fā)展的今天，作為車體主要材料的鋁合金面臨了巨大的挑戰(zhàn)，因此研究激光沖擊強化對鋁合金綜合性能的影響勢在必行。

1 6061-T651鋁合金

目前軌道車輛中的主要材料是6000系鋁合金，而6061-T651鋁合金由于良好的性能在軌道車輛中廣泛應(yīng)用。

1.1 化學(xué)成分

6061-T651鋁合金屬于A1-Mg-Si系，是一類可熱處理強化的中高強度鋁合金[1]，主要組織物為α-Al和Mg2Si。由于6061-T651鋁合金良好的加工性能、焊接性能使其被廣泛使用。

其主要化學(xué)成分如下：銅，0.15%～0.4%；錳，0.15%；鎂，0.8%～1.2%；鋅，0.25%；鉻，0.04%～0.35%；鈦，0.15%；硅，0.4%～0.8%；鐵，0.7%；其余為鋁。

1.2 力學(xué)性能

6061-T651鋁合金的力學(xué)性能如下：抗拉強度，290 MPa；屈服強度240 MPa；拉伸率，14%。該鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)是一個多晶體，內(nèi)部由許多晶粒構(gòu)成，通常用一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)來計量平均晶粒的大小。6061-T651鋁合金的強度受晶粒大小的影響很大[2-3]。當(dāng)金屬材料外表面發(fā)生變形時，往往內(nèi)部細(xì)晶粒分散得比較均勻，表面的塑性變形也更加均勻。相反粗晶粒的金屬表面塑性變形較大，應(yīng)力也比較集中。所以在常溫條件下微觀結(jié)構(gòu)上細(xì)晶粒的金屬材料表現(xiàn)出了良好的硬度、強度和韌性等力學(xué)性能。除此之外，晶粒尺寸越小，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，相應(yīng)單位體積內(nèi)的晶界表面積越大，并且晶界也越曲折，可以阻礙裂紋的擴展。而激光沖擊強化技術(shù)就是利用激光能量沖擊金屬表面細(xì)化金屬材料的微觀組織，達(dá)到細(xì)晶強化的目的。由此可知，金屬材料單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，晶粒則越小，晶界的面積就越大，強化效果就越好。金屬材料屈服強度和晶粒尺寸的關(guān)系如下[4]：

(1)

式中：σs為屈服強度；σo為派納力；Ks為晶格障礙系數(shù)；d為晶粒尺寸。根據(jù)公式，晶粒尺寸越小，屈服強度越高。

2 激光沖擊強化技術(shù)

激光沖擊強化技術(shù)利用短脈沖高峰值功率密度的激光作用于金屬表面，金屬表面發(fā)生塑性變形，表面粗糙度也隨之變化，微觀組織結(jié)構(gòu)也發(fā)生細(xì)化，金屬材料的耐磨性能、抗腐蝕性能發(fā)生改變。其原理如圖1所示。

圖1 激光沖擊強化原理

試驗選擇的激光參數(shù)如下：激光脈寬為10 ns，波長為1 064 nm，約束層的水流厚度為3 mm，吸收層的鋁箔厚度為0.12 mm，光斑為?3 mm，搭接率為50%，激光脈沖能量為6 J。

3 激光沖擊后的6061-T651鋁合金性能分析

3.1 疲勞壽命

疲勞壽命是金屬材料自身抵抗斷裂的性能。對于6061-T651鋁合金疲勞壽命的界定，主要通過應(yīng)力循環(huán)產(chǎn)生的裂紋來衡量。6061-T651鋁合金的裂紋擴展大致經(jīng)歷了裂紋開始擴展階段、裂紋穩(wěn)定擴展階段和裂紋快速擴展階段，公式如下：

(2)

式中：C和n是材料常數(shù)；a為裂紋擴展長度；N為對應(yīng)循環(huán)次數(shù)；da/dN是疲勞裂紋擴展速率；K是應(yīng)力強度因子范圍(MPa·m0.5)。對公式(3)取對數(shù)，可得到以下方程：

log(da/dN)=logC+nlog(K)

(3)

在6061-T651鋁合金材料的裂紋開始擴展階段，da/dN的數(shù)值極??；隨著應(yīng)力強度因子范圍K值的不斷增大，da/dN的數(shù)值也隨之增加；到了裂紋穩(wěn)定擴展階段，log(da/dN)與log(K)呈現(xiàn)了一種近似線性的關(guān)系；最后的裂紋快速擴展階段，da/dN的數(shù)值則變得極大，而且隨著應(yīng)力強度因子范圍K值的增大，da/dN的數(shù)值也快速增大。

圖2表示的是在裂紋穩(wěn)定擴展階段log(da/dN)與log(K)之間的關(guān)系。裂紋長度呈現(xiàn)穩(wěn)定的增長，激光沖擊的試樣和未經(jīng)激光沖擊的試樣在裂紋擴展速率等方面都呈現(xiàn)出不同程度的線性增長；當(dāng)K值一定時，未經(jīng)激光沖擊試樣的裂紋擴展速率大于激光沖擊試樣；除此之外，由于激光沖擊試樣裂紋擴展階段類似于直線，且直線的擬合斜率要小于未經(jīng)激光沖擊試樣，故激光沖擊試樣的da/dN裂紋增長較慢。疲勞壽命與裂紋擴展速率的關(guān)系是裂紋擴展越快，疲勞壽命越短。所以未經(jīng)激光沖擊試樣的疲勞壽命小于激光沖擊過后的疲勞壽命。激光沖擊以后6061-T651鋁合金的抗疲勞性能得到大幅提高，主要原因在于激光沖擊過后金屬表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力和部分晶粒的細(xì)化[5]。

圖2 6061-T651鋁合金沖擊前后log(da/dN)隨log(K)的變化

3.2 強度

激光沖擊6061-T651鋁合金前后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。6061-T651鋁合金的原樣與LSP試樣都是隨著應(yīng)變增大而應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一值時應(yīng)力呈現(xiàn)穩(wěn)定波動狀態(tài)。所以經(jīng)過激光沖擊的6061-T651鋁合金抗拉強度由原來的290 MPa增加到390 MPa，增長幅度達(dá)到34%。強度的增加主要歸功于激光沖擊強化后6061-T651鋁合金表面產(chǎn)生的較大幅值殘余壓應(yīng)力和表面的硬化層。金屬表面的殘余壓應(yīng)力對于微觀裂紋的產(chǎn)生起到了有效的抑制作用，并且能夠阻礙微觀裂紋的生長，使得微觀裂紋的擴展速率大幅降低，從而提高了激光沖擊的6061-T651鋁合金的斷裂強度[6]。

圖3 6061-T651鋁合金沖擊前后拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3.3 抗腐蝕性能

激光沖擊前后6061-T651鋁合金在3.5%溶液腐蝕試樣表面的微觀形貌如圖4所示，白色區(qū)域為α(Al)，黑色區(qū)域為析出相β。可見析出相β分布在晶粒內(nèi)部或者附著在晶界。并且未處理過的試樣微觀組織分布不均勻，原始組織晶粒比較粗大，析出相β也在晶內(nèi)或沿晶界呈不均勻分布。而經(jīng)過激光沖擊處理后晶粒尺寸變小且分布均勻，析出相β也顯著減少，并且β相的尺寸也變小。如圖4(b)所示。在電化學(xué)腐蝕中，鋁合金中的α相作為陽極，其他的相作為陰極，α相表現(xiàn)比較活潑，這兩者之間形成腐蝕電偶。最終腐蝕電偶加速α相的腐蝕，從而對于整個基體產(chǎn)生了腐蝕[7-10]。

圖4 激光沖擊前后6061-T651鋁合金的微觀形貌

圖5呈現(xiàn)的是6061-T651鋁合金經(jīng)過激光沖擊前后在3.5% NaCl溶液中浸泡半小時的阻抗譜。阻抗譜中電容阻抗半徑的大小與金屬抗腐蝕性能的關(guān)系是正相關(guān)。圖5顯示電容阻抗半徑較大的是經(jīng)過激光沖擊強化的試樣。在試驗過程中把試樣放入NaCl溶液一定時間后，試樣表面會出現(xiàn)氣泡，這是6061-T651鋁合金表面開始腐蝕溶解的信號。鋁作為活性較高的金屬，在常溫下鋁合金的表面存在一層鈍化膜，所以6061-T651鋁合金的抗腐蝕能力在很大程度上取決于該鈍化膜Al(OH)3的性質(zhì)。6061-T651鋁合金鈍化膜的反應(yīng)式如下：

2Al+6H2O→2Al(OH)3+3H2

(4)

鈍化膜對通過其表面的離子有阻礙作用，所以金屬陽離子和金屬陰離子不能順利而快速地通過鈍化膜。NaCl溶液中的氯離子對鈍化膜有破壞作用，而鋁合金內(nèi)部的氯離子可以修復(fù)鈍化膜，所以該鈍化膜在NaCl溶液中不斷進(jìn)行自我修復(fù)，減緩了鋁合金的腐蝕進(jìn)程。當(dāng)6061-T651鋁合金被激光沖擊強化過后，6061-T651鋁合金金屬表面的鈍化膜更加穩(wěn)定，不容易被氯離子破壞。這主要是由于沖擊后的金屬表面存在的壓應(yīng)力與鈍化膜生長出現(xiàn)的拉應(yīng)力相互抵消。從微觀結(jié)構(gòu)方面觀察，激光沖擊強化技術(shù)會使得6061-T651鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯，正是這些位錯使得鈍化膜更加致密，加大了離子通過鈍化膜的阻力，從而增強了鈍化膜的自動修復(fù)能力，最終宏觀上提高了6061-T651鋁合金的抗腐蝕能力[11-12]。

圖5 激光沖擊前后試樣在3.5% NaCl溶液中的阻抗譜

4 結(jié)論

由于激光沖擊強化技術(shù)金屬表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力和金屬微觀結(jié)構(gòu)上的晶粒細(xì)化，使得激光沖擊以后6061-T651鋁合金的抗疲勞性大幅提高。

激光沖擊6061-T651鋁合金表面發(fā)生位錯能夠使鈍化膜更加厚實和致密，增大離子進(jìn)出鈍化膜的阻力。并且能夠使6061-T651鋁合金表面產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，促進(jìn)了鈍化膜破壞后的再修復(fù)。結(jié)合兩者，激光沖擊強化技術(shù)增強了6061-T651鋁合金的抗腐蝕能力。

軌道車輛的車體作為容納乘客和司機的場所，它的性能直接影響軌道車輛整體的運營安全。鋁合金車體主體結(jié)構(gòu)一般是大型的擠壓型材，這種一體化結(jié)構(gòu)的鋁合金車體相對于碳素鋼車體焊接量少，制造工藝簡化，極大地減輕了車體的自重。如果采用激光強化后的6061-T651鋁合金，擠壓成型工藝可以相對減輕，構(gòu)件的剛度得到提高，材料的承載能力可以得到充分的發(fā)揮。激光沖擊強化后的6061-T651鋁合金車體對整個車輛的結(jié)構(gòu)、性能、制造、使用、維修以及經(jīng)濟(jì)性等都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。