趙恒章，侯紅苗，賈蔚菊，李 磊，洪 權(quán)，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

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鈦合金激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用

趙恒章，侯紅苗，賈蔚菊，李 磊，洪 權(quán)，毛小南

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

激光沖擊強(qiáng)化是一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，能夠在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、表面硬度，延長其疲勞壽命，在鈦合金結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用前景廣闊。介紹了激光沖擊強(qiáng)化的基本原理和特點(diǎn)，并結(jié)合國外研究現(xiàn)狀，著重分析了我國鈦合金激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在工藝基礎(chǔ)研究以及提高疲勞強(qiáng)度、改善焊縫應(yīng)力狀態(tài)、表面納米化、強(qiáng)化孔結(jié)構(gòu)、修復(fù)及再制造受損件等方面的研究現(xiàn)狀，并指出了該技術(shù)在鈦合金工程化應(yīng)用方面需解決的關(guān)鍵問題。

鈦合金；激光沖擊；表面強(qiáng)化；應(yīng)用

0 引 言

鈦合金是重要的結(jié)構(gòu)材料，因具有無磁、輕質(zhì)、比強(qiáng)度高和耐蝕等特點(diǎn)，且易于滿足輕量化、強(qiáng)韌化和低能耗等要求而被廣泛應(yīng)用。然而，鈦合金具有較高的缺口敏感性，結(jié)構(gòu)件易發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象。因此如何提高鈦合金結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，延長其服役壽命，備受人們關(guān)注。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的高功率密度應(yīng)力波，使金屬表面層產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致位錯密度增加，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高硬度和疲勞壽命等性能的新型表面強(qiáng)化方法[1-5]。我國在激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究方面已經(jīng)取得了一定成果，近年來已開始在鈦合金方面進(jìn)行探索性研究。

本文介紹了激光沖擊強(qiáng)化的基本原理和特點(diǎn)，總結(jié)了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在工藝研究和應(yīng)用研究方面取得的成果，指出了我國激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)存在的問題和發(fā)展方向，為該技術(shù)在鈦合金中的應(yīng)用提供參考。

1 激光沖擊強(qiáng)化的基本原理和特點(diǎn)

1.1 激光沖擊強(qiáng)化的基本原理

激光沖擊(Laser shock peening，LSP)又稱激光噴丸(Laser peening)，其過程如圖1所示。在激光沖擊過程中，高功率密度、短脈沖的激光束輻照到工件，吸收層充分吸收能量在極短時間內(nèi)(ns量級)形成一個高溫高壓的等離子體層，受約束層約束，等離子體層積聚到一定密度和厚度時發(fā)生爆炸形成沖擊波。沖擊波峰值壓力一般為數(shù)個GPa[6]。激光沖擊強(qiáng)化是利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的高達(dá)數(shù)GPa的沖擊波壓力使材料表層以極高的應(yīng)變速率發(fā)生變形和動態(tài)屈服，產(chǎn)生微觀塑性變形，形成殘余壓應(yīng)力層和硬化層，同時伴隨位錯、孿晶等晶體缺陷的產(chǎn)生。激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力和硬化層能夠明顯的延緩裂紋的萌生，而位錯密度的增高和位錯纏結(jié)使材料的屈服強(qiáng)度獲得提高，進(jìn)一步阻礙了位錯的運(yùn)動，增大了裂紋產(chǎn)生的阻力，從而使得材料表層獲得強(qiáng)化，有效地改善了金屬材料的力學(xué)性能，如疲勞壽命、硬度、耐磨性、抗外物損傷能力、熱穩(wěn)定性等[7-9]。

圖1 激光沖擊過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser shock peening

激光沖擊屬于機(jī)械應(yīng)力，只是引起材料表面發(fā)生塑性變形。然而這種作用力在時間和空間上都是非均勻、非線性的。隨著激光作用時間增加到一個脈寬，應(yīng)力值也由零達(dá)到峰值，如圖2所示。

圖2 激光沖擊材料表面應(yīng)力隨激光作用時間的分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure distribution on surface of material with the time of laser shock peening

應(yīng)力與距光斑中心的距離符合高斯分布，最大應(yīng)力值位于光斑的中心，應(yīng)力值隨距離光斑中心的遠(yuǎn)近而變化，距離光斑中心越近，應(yīng)力值越大。任意時刻、任一點(diǎn)的應(yīng)力值可以由下面的公式來計算[10]：

(1)

式中,P(t)為激光脈沖作用t時刻的應(yīng)力值，GPa；r為距離光斑中心的距離，mm；R為光斑直徑，mm。

1.2 激光沖擊強(qiáng)化的特點(diǎn)

作為高能束加工技術(shù)，相對于傳統(tǒng)強(qiáng)化技術(shù)，激光沖擊強(qiáng)化優(yōu)勢十分明顯，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)[11-13]。

(1)激光沖擊波的壓力達(dá)到數(shù)GPa，能形成更深更大的殘余壓應(yīng)力層，使材料表面晶粒細(xì)化甚至出現(xiàn)納米晶粒。沖擊獲得的殘余壓應(yīng)力影響層可達(dá)1～2 mm，是噴丸的5～10倍。

(2)由于激光能精確控制和定位，光斑大小和形狀可調(diào)，特別適合有應(yīng)力集中的倒角、焊縫以及小孔、溝槽等部位的處理。

(3)激光沖擊無熱損傷，工藝參數(shù)可控，處理后基本不改變被處理零部件的表面光潔度。因而更適合于對表面粗糙度和變形特別敏感的零部件，如發(fā)動機(jī)葉片。

2 鈦合金激光沖擊強(qiáng)化的研究與應(yīng)用

20世紀(jì)90年代以前，激光沖擊強(qiáng)化主要用于鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)件的研究，90年代后期，隨著高功率激光器制備技術(shù)的突破，調(diào)Q技術(shù)以及鎖模技術(shù)的成功應(yīng)用，使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)真正走到實(shí)用階段。美國于1997年建成了第一套用于商業(yè)應(yīng)用的成套激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，開始對TC4鈦合金渦輪發(fā)動機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化，以提高葉片表面壓應(yīng)力，取得了良好的強(qiáng)化效果[14]。隨后GE公司也開展了TC4鈦合金渦扇發(fā)動機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究，大幅度提高了其抗外物損傷能力和疲勞壽命。2005年，研制激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)的MIC公司獲得美國國防制造最高成就獎。美國將該技術(shù)列為第四代戰(zhàn)機(jī)發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，足見該技術(shù)的實(shí)用價值[15]。

我國在“九五”期間，開展了2024鋁合金、1Cr18Ni9Ti、GH30、TC4等材料的激光沖擊試驗(yàn)，在鋁合金、不銹鋼等材料上取得了很好的試驗(yàn)效果，但由于當(dāng)時激光器的峰值功率水平較低，未能有效強(qiáng)化鈦合金[16]?！笆濉逼陂g在提高激光器水平和優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，TC4鈦合金轉(zhuǎn)子葉片的激光沖擊試驗(yàn)獲得了成功。目前，我國鈦合金的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)仍處于理論研究和工程應(yīng)用探索階段，相當(dāng)于美國20世紀(jì)80～90年代的水平。

2.1 鈦合金激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的工藝研究

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)分單次沖擊和多次沖擊，工藝參數(shù)包括脈沖能量、脈寬、光斑直徑等。

喬紅超等人[17]通過單次沖擊研究了脈沖能量、約束層厚度、脈寬對TC4鈦合金強(qiáng)化效果的影響，結(jié)果表明，材料表面硬度和殘余壓應(yīng)力值隨脈沖能量的增大而增大，水約束層厚度對殘余壓應(yīng)力值也有較大影響，存在一個最佳厚度，脈寬達(dá)到一定值后，沖擊效果不明顯。羅新民等人[18]分析了沖擊過程中TC4鈦合金微觀組織的響應(yīng)，指出了不同脈沖能量下，α相和β相有不同的形變強(qiáng)化機(jī)制，存在不同的位錯增殖形式。

任旭東等人[19]對TC4鈦合金進(jìn)行了多次激光沖擊，發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力隨著沖擊次數(shù)的增加而增大，但當(dāng)沖擊深度達(dá)到一定厚度時，繼續(xù)增加沖擊次數(shù)，殘余應(yīng)力增加的幅度不再明顯。激光沖擊后TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均獲得了提高，且兩者強(qiáng)度差也大于未進(jìn)行沖擊的試樣。Ti-17、TA15鈦合金經(jīng)多次激光沖擊后表層的組織發(fā)生變化，形成了高密度位錯，在相界附近有大量位錯纏結(jié)、切割，交錯分布[20-21]。X射線布拉格衍射峰的寬化明顯增強(qiáng)，說明材料表層發(fā)生了明顯的塑性變形。

以上激光沖擊研究結(jié)果表明，鈦合金經(jīng)激光沖擊后在材料表層形成了殘余壓應(yīng)力層，硬度和強(qiáng)度得到提高，組織得到細(xì)化。對于鈦合金，要獲得高的殘余壓應(yīng)力，激光沖擊次數(shù)以3～5次為宜，繼續(xù)增加沖擊次數(shù)，對殘余壓應(yīng)力貢獻(xiàn)不大，反而會引起應(yīng)力屏蔽。鈦合金單次沖擊硬化層深度約200 μm，3～5次沖擊后，硬化層深度能達(dá)到500 μm以上。

2.2 鈦合金激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用研究

目前，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在鈦合金中的應(yīng)用主要集中在結(jié)構(gòu)件疲勞壽命、高溫鈦合金熱穩(wěn)定性、焊縫表面應(yīng)力狀態(tài)改善、納米化工程、微動疲勞及孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、損傷件的修復(fù)與再制造方面。

國內(nèi)學(xué)者對激光沖擊強(qiáng)化后的TC4、TC6、TiAl合金葉片、葉盤以及齒輪的高周、高溫疲勞性能進(jìn)行了研究[22-24]，結(jié)果表明，隨溫度的升高，材料表層的殘余應(yīng)力大幅度下降，但應(yīng)變硬化表層和微觀結(jié)構(gòu)受溫度的影響卻非常小，在高溫下保持下來的應(yīng)變硬化和微觀結(jié)構(gòu)同樣是疲勞增益的主要因素。激光沖擊強(qiáng)化后零件的疲勞壽命提高約2～6倍。

賈蔚菊等[25]研究了Ti834高溫鈦合金經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化前后熱穩(wěn)定性能的變化，結(jié)果表明，經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的試樣在600 ℃×100 h熱暴露后，相比未LSP處理試樣，合金強(qiáng)度顯著提高，但塑性進(jìn)一步降低。主要原因是材料表面增殖的位錯為氧向基體內(nèi)部擴(kuò)散提供了更多的通道。

焊接接頭是金屬設(shè)備構(gòu)件中的薄弱環(huán)節(jié)。日本東芝公司將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于核反應(yīng)堆壓力容器、管道接頭等焊縫的抗應(yīng)力腐蝕裂紋方面，其采用的是小能量小光斑(光斑φ0.8 mm，能量200 mJ，脈寬8 ns)、無吸收層的高搭接率工藝，極大的提高了焊縫抗應(yīng)力腐蝕能力。鈦合金焊接方式有氬弧焊、激光焊、電子束焊接和等離子焊接。研究表明[26-29]，鈦合金焊后殘余應(yīng)力可達(dá)到屈服強(qiáng)度的50%～80%，高能束焊接后其焊接殘余應(yīng)力可達(dá)到屈服極限，這些殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，嚴(yán)重影響接頭壽命。鈦合金焊接接頭經(jīng)LSP處理后，熱影響區(qū)硬度明顯提高，焊縫表面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改善，殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，降低了裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動力，因而可延長焊接接頭的疲勞壽命。

多次LSP處理可使鈦合金表層材料晶粒細(xì)化。研究表明[30-32]，增加激光沖擊次數(shù)有利于晶粒進(jìn)一步細(xì)化，形成納米晶，但沖擊次數(shù)增加到一定程度，晶粒尺寸的變化不再明顯，但表層納米晶的均勻程度獲得了提高。TC11鈦合金經(jīng)激光沖擊處理10次后，鈦合金樣品表層形成了一層平均尺寸為20～100 nm的納米晶粒；TC6鈦合金經(jīng)3次激光處理后，主要形成100～200 nm亞微米晶粒，沖擊5次后形成40 nm左右、均勻分布的晶粒。

飛機(jī)、艦船等結(jié)構(gòu)緊固孔的數(shù)量驚人，應(yīng)力集中的緊固孔在交變載荷的作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋。美國通過外光路的控制，將圓形光斑轉(zhuǎn)換為環(huán)形光斑。強(qiáng)化小孔時，使環(huán)形光斑的內(nèi)徑稍大于孔直徑，不但使小孔邊緣得以強(qiáng)化，還避免了沖擊波造成的孔角塌陷；強(qiáng)化大孔時，可以利用相對小直徑的光斑沿大孔邊緣進(jìn)行掃描式的強(qiáng)化。此外，在孔內(nèi)放置反光鏡，可以實(shí)現(xiàn)孔角和孔內(nèi)壁的同時強(qiáng)化。目前國內(nèi)僅開展了鋁合金和鋼材的緊固孔、均壓孔研究，沖擊后疲勞壽命提高了3.5倍。鈦合金在緊固孔的激光沖擊強(qiáng)化仍處于探索階段。

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)目前在飛機(jī)損傷葉片的修復(fù)與再制造產(chǎn)業(yè)化中已經(jīng)獲得重大突破。鈦合金葉片的激光沖擊再制造，其成本約為新葉片的1/10～1/4，即節(jié)約生產(chǎn)成本75%～90%，利潤將超過50%，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前僅有美國將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)用于軍機(jī)和民機(jī)生產(chǎn)線[33]。我國在鈦合金葉片如TC4、TC6轉(zhuǎn)子葉片的激光沖擊強(qiáng)化一直沒能取得實(shí)質(zhì)性的效果，仍處于工藝探索階段。激光沖擊強(qiáng)化鈦合金葉片這種薄壁結(jié)構(gòu)件時，很難實(shí)現(xiàn)對不規(guī)則型面葉片邊緣有效強(qiáng)化而防止葉片變形。采用雙光束對沖的方式能有效防止單面沖擊引起的變形，但壓力波背面反射后會變成拉力波，導(dǎo)致材料內(nèi)部發(fā)生層裂，此外，鈦合金葉片經(jīng)雙光束對沖后有明顯的沖擊痕跡。

3 需解決的關(guān)鍵問題

3.1 高穩(wěn)定性的大功率激光器及處理系統(tǒng)

相比鋁、鋼等金屬，鈦合金動態(tài)屈服強(qiáng)度高，需要更高的峰值功率密度才能有效強(qiáng)化。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展離不開短脈沖、高能量、高穩(wěn)定性激光器的發(fā)展，釹玻璃激光器和Nd：YAG激光器在鈦合金激光沖擊領(lǐng)域均有應(yīng)用[34]。釹玻璃激光器相比Nd：YAG激光器的缺點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)龐大復(fù)雜，重復(fù)頻率也比較低，但其優(yōu)點(diǎn)是輸出的脈沖能量很大，可達(dá)50 J以上。目前，國外對高重復(fù)頻率的大功率激光器禁運(yùn)，僅美國能夠研制生產(chǎn)型激光沖擊強(qiáng)化裝備并將之用于生產(chǎn)，美國MIC已生產(chǎn)出激光光束移動而零件不動的強(qiáng)化處理系統(tǒng)，用于難以夾持的大型零件以及已裝配的零件。另外，美國已開展了圓形、方形、橢圓形激光光斑的研究，并在激光光傳導(dǎo)方面申請了諸多專利。

3.2 發(fā)展新型涂層材料和涂層涂覆與去除工藝

激光沖擊強(qiáng)化中一般都要在工件表面增加吸收保護(hù)層，通常采用的是特種黑漆或者鋁箔、黑膠帶[35]。采用黑漆的優(yōu)點(diǎn)是對各種不規(guī)則曲面容易貼合，缺點(diǎn)是在噴涂后需要等待其干燥且去除麻煩；而黑膠帶、鋁箔則存在貼合性不好，多次沖擊時重復(fù)定位差等缺點(diǎn)，影響強(qiáng)化質(zhì)量。發(fā)展柔性貼膜、水溶性涂層等不同約束條件下的涂層及去除工藝是迫切需要解決的現(xiàn)實(shí)問題。

3.3 進(jìn)一步完善激光沖擊強(qiáng)化工藝研究

國內(nèi)對激光沖擊強(qiáng)化工藝的研究還不夠完善，尤其是鈦合金。對沖擊次數(shù)、光斑大小、激光能量、脈寬、搭接方式以及約束層和保護(hù)層厚度等缺乏系統(tǒng)的研究。在計算模型建立、殘余壓應(yīng)力場預(yù)測、有限元三維仿真方面處于摸索階段。美國在20世紀(jì)90年代已完成了以上研究，近年來深入研究了微細(xì)尺度下材料經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后殘余壓應(yīng)力場的表征方法，開展微細(xì)激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究，為激光沖擊強(qiáng)化的研究開辟了一個新的領(lǐng)域，該技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)零部件強(qiáng)化方面應(yīng)用前景廣闊。

3.4 激光沖擊強(qiáng)化效果的評價和檢測手段

鈦合金葉片雙面沖擊時兩面殘余應(yīng)力不平衡容易導(dǎo)致葉片產(chǎn)生應(yīng)力變形，需要發(fā)展在線監(jiān)測、反饋和控制技術(shù)以控制整個沖擊過程的質(zhì)量。

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Research and Application on Laser Shock Peening of Titanium Alloy

Zhao Hengzhang,Hou Hongmiao,Jia Weiju,Li Lei,Hong Quan,Mao Xiaonan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)

Laser shock peening (LSP) is a novel surface treatment technique which is capable of introducing compressive residual stress near the surface layers of the materials, then the fatigue properties and surface strength of the alloy can be improved largely. In this paper, the basic principle and characterization of LSP was introduced, the research situation of the LSP in the field of fatigue strength, improve the stress state of welding seam, nanocrystalline, pore structure strengthening, repair and remanufacturing were analyzed deeply. Finally, the key problems that needed resolved for the engineering application of LSP in titanium alloys were pointed out.

titanium alloy; laser shock peening;surface strengthening; application

2016-04-06

國際科技合作與交流計劃(2015KW-020)

趙恒章(1974—)，男，高級工程師。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0007-05