周 楷，楊 揚

（中南大學材料科學與工程學院，長沙410083）

0 前言

激光沖擊噴丸是一種新型的金屬材料表面處理技術(shù)，近年來已經(jīng)得到了越來越廣泛的應用和研究。已有的研究已經(jīng)證實了激光沖擊噴丸能夠使金屬材料表層晶粒細化，并顯著提升材料的性能[1-2]。但目前而言，激光沖擊噴丸誘生的材料表層晶粒納米化仍是一個亟待解決的課題。Nie對TC11鈦合金進行了不同次數(shù)的激光沖擊噴丸處理，實驗結(jié)果表明一次激光沖擊后，TC11鈦合金最表層只出現(xiàn)了約1μm的位錯胞，三次沖擊后才出現(xiàn)納米尺寸的晶粒[3]；Lu最近發(fā)表在Acta上的研究結(jié)果表明，一次激光沖擊后，LY12鋁合金上表面的晶粒由10μm細化到3～5μm，5次激光沖擊后其表面的晶粒細化到亞微米級別（100～200nm），未實現(xiàn)納米化[4]。

2195鋁鋰合金以其低密度高強度的特性，常被應用于航空航天領(lǐng)域，但航空航天材料極端的使用環(huán)境又對鋁鋰合金提出了進一步苛刻的要求[5-6]。本文基于2195鋁鋰合金，成功制備出組織結(jié)構(gòu)均勻的表層納米化材料，利用透射電鏡（TEM）等方法對材料的組織結(jié)構(gòu)進行了觀測，通過慢應變速率拉伸實驗（SSRT）分析了激光沖擊對2195鋁鋰合金抗應力腐蝕的性能。

1 材料和實驗方法

1.1 實驗材料

實驗選用的材料為2195鋁鋰合金，由西南鋁業(yè)提供。材料成分見表1。本文在相同的激光沖擊參數(shù)下，對2195鋁鋰合金分別進行了單次和多次的激光沖擊噴丸處理。激光沖擊前對2195鋁合金做固溶時效處理，固溶實驗在鹽浴爐中進行，溫度510℃，保溫30min，人工時效在180℃的條件下保溫12h。

表1 2195鋁鋰合金的化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

1.2 激光沖擊噴丸實驗

當高能量密度的激光束照射在合金上表面時，會使燒蝕層材料瞬間等離子化。由于約束層的存在，這些急速膨脹的等離子體會在材料表面產(chǎn)生GPa級別的沖擊壓力，這些持續(xù)的沖擊壓力會使應力波在材料表層傳導，從而帶來組織結(jié)構(gòu)的改變，進而影響材料性能。

本文中的激光沖擊噴丸實驗在高重復率釹玻璃激光器上進行，選專用的黑膠帶作吸收層，1mm的流水作為約束層。經(jīng)過多次嘗試，最終確定的激光沖擊參數(shù)如表2所示。

表2 激光沖擊工藝參數(shù)

1.3 組織觀察

利用FEI公司生產(chǎn)的Tecnai G2 20AEM透射電子顯微鏡對2195鋁鋰合金激光沖擊噴丸處理后的微觀組織結(jié)構(gòu)進行觀察分析，操作電壓為200kV。為觀測最表層的組織結(jié)構(gòu)信息，本文選用機械減薄+離子束單面減薄的方法制備透射電鏡薄膜樣品。

1.4 殘余應力測試

本次殘余應力測試選用D8 Discover型X射線殘余應力分析儀，采用側(cè)傾固定法-交相關(guān)定峰法測量2195鋁鋰合金試樣的表面殘余應力，測試區(qū)域為激光沖擊上表面，工作電壓為40kV。限定測量誤差在25 MPa以內(nèi)，否則重新測量。在測試前對樣品用乙醇進行超聲清洗。

1.5 抗應力腐蝕性能測試

因為慢應變速率拉伸法（SSRT）對應力腐蝕開裂有較高的靈敏度，能夠很好模擬實際介質(zhì)環(huán)境，得到更準確的結(jié)果，所以本文選用慢應變速率拉伸試驗研究激光沖擊噴丸對2195鋁鋰合金應力腐蝕敏感性的影響。分別把試樣放在腐蝕介質(zhì)和惰性介質(zhì)（空氣）中進行慢應變速率拉伸腐蝕試驗，應變速率設(shè)定為10-6s-1[7]。

為了模擬高濃度氯離子環(huán)境，應力腐蝕試驗所用溶液為3.5%NaCl溶液。選用板狀拉伸樣，厚度為2mm。對中心20mm的標距段進行雙面激光沖擊噴丸處理。測定樣品抗拉強度、延伸率和斷裂時間。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 透射電鏡觀察結(jié)果

2.2.1 一次激光沖擊

圖1為一次激光沖擊噴丸處理后的透射電鏡觀察結(jié)果。從圖1（a）表面位置處的明場像中可以清晰地看到，一次激光沖擊后的2195鋁鋰合金表面出現(xiàn)了大量均勻分布的細小晶粒和位錯胞，晶粒尺寸在40～150nm之間，位錯胞尺寸在200～300nm之間。圖1（b）為圖1（a）中局部區(qū)域的放大圖，可以看到晶界清晰，形狀規(guī)整的等軸晶粒。圖1（c）為該區(qū)域?qū)倪x取衍射花樣（SAED）圖。圖中所示的衍射花樣呈現(xiàn)為環(huán)狀，說明原始的粗大晶粒已經(jīng)充分細化，并且取向呈隨機分布。選取最表面處15個不同的視場進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖1（d）所示，平均晶粒尺寸為90nm，達到納米級別。

圖1 一次沖擊試樣的透射電鏡觀察結(jié)果

2.1.2 三次激光沖擊

圖2為三次激光沖擊噴丸處理后的透射電鏡觀察結(jié)果。從圖2（a）和圖2（b）所示的明場像中可以看到，三次沖擊后2195鋁鋰合金表面的微觀結(jié)構(gòu)以30～100nm的細小晶粒為主，已沒有位錯胞結(jié)構(gòu)。圖2（d）所示的晶粒統(tǒng)計結(jié)果表明，三次激光沖擊后，2195鋁鋰合金表面晶粒平均尺寸為70nm。圖2（c）的選取衍射結(jié)果為更加連續(xù)的環(huán)狀花樣，說明合金表面分布著大量隨機取向的納米晶粒。

圖2 三次沖擊試樣的透射電鏡觀察結(jié)果

2.2 抗應力腐蝕性能

將未進行激光沖擊和一次激光沖擊處理的試樣分別置于空氣和3.5%的NaCl溶液中進行SSRT實驗，應變速率設(shè)定為10-6s-1，得到的應力應變曲線如圖3所示?？梢钥吹皆贜aCl溶液中的2195鋁鋰合金試樣延伸率和抗拉強度均低于空氣中的，由此可見2195鋁鋰合金具有應力腐蝕敏感性。

不同的慢應變速率拉伸實驗得到的各項力學性能指標如表3所示。可以看到激光沖擊處理后的試樣在空氣中拉伸時，抗拉強度和伸長率最高，分別為362.15 MPa和12.79%；當置于NaCl溶液中時，抗拉強度和伸長率降低為326.34 MPa和11.41%；未進行激光沖擊處理的試樣不論在空氣中還是NaCl溶液中進行拉伸時，其抗拉強度和伸長率的值都顯著低于激光沖擊處理試樣，對應的值分別為50.07 MPa、12.79%和304.03 MPa、10.51%。對拉伸斷口進行測量計算，發(fā)現(xiàn)激光沖擊處理后的試樣也具有較大的斷面收縮率，在空氣和NaCl溶液中斷面收縮率分別為13.11%和12.02%。對應地，未進行激光沖擊處理試樣的斷面收縮率分別為11.82%和10.51%，見圖3所示。

圖3 慢應變速率拉伸實驗的應變曲線

將SSRT試驗中得到的各項力學性能指標進行數(shù)學處理，可以得到應力腐蝕指數(shù)ISSRT。該指數(shù)與單項的力學性能指數(shù)相比能夠更準確地反映出材料的應力腐蝕斷裂敏感性，常常作為抗應力腐蝕性能的重要判據(jù)，其計算公式如下所示[8]：

其中σS和δS分別表示在溶液中拉伸時的抗拉強度和延伸率；σA和δA分別表示在空氣中拉伸時的抗拉強度和延伸率。

計算結(jié)果表明激光沖擊處理后的試樣應力腐蝕因子ISSRT為18.9%，而未進行激光沖擊處理的試樣為22.1%。應力腐蝕因子越大說明該狀態(tài)的材料具有更高的應力腐蝕斷裂（SCC）傾向性，所以SSRT的實驗結(jié)果表明激光沖擊噴丸能夠有效地提升2195鋁鋰合金的抗應力腐蝕性能。

表3 慢應變速率拉伸實驗結(jié)果

2.3 殘余壓應力

激光沖擊后合金表層發(fā)生塑性變形，塑性變形在微觀上體現(xiàn)為晶格畸變，這些晶格畸變會產(chǎn)生殘余應力。對激光沖擊后的試樣進行表面殘余應力測定，測試結(jié)果表明激光沖擊噴丸處理能夠在2195鋁鋰合金表面引入殘余壓應力，一次沖擊后，表面殘余壓應力為-199 MPa，三次沖擊后，表面殘余壓應力達到-266 MPa。殘余壓應力的存在可以阻止裂紋萌生和降低裂紋擴展速率，能夠有效改善材料性能[9]。三次沖擊后的2195鋁鋰合金晶格畸變程更嚴重，因而會有更大的殘余壓應力數(shù)值。

3 分析討論

3.1 微觀組織演變

如上文所示的透射電鏡觀察結(jié)果所示，激光沖擊后，2195鋁鋰合金表層的粗大晶粒演變?yōu)榧毿〉募{米晶。激光沖擊噴丸作為一種超高應變速率的金屬表面處理方法，其作用于金屬表面時，可以瞬間產(chǎn)生GPa級的峰值沖擊壓力，應變速率可以達到107s-1量級[10]。鋁合金作為一種高層錯能的金屬，其塑性變形的機制主要為位錯滑移機制，并且有文獻報道在107s-1量級的超高的應變速率條件下，發(fā)生孿生的原子向?qū)\生方向進行位置重排的時間不夠，難以發(fā)生孿生變形[11]，因此這種超高應變速率加載下的晶粒細化應是一種基于位錯演變動態(tài)過程。

關(guān)于超高應變速率下的晶粒瞬間細化機制，我們之前已經(jīng)作了深入的研究，激光沖擊2195鋁鋰合金的晶粒細化可以看作是位錯向位錯纏結(jié)，位錯胞、亞晶演變，并通過旋轉(zhuǎn)動態(tài)再結(jié)晶機制最終轉(zhuǎn)化為具有大角度晶界晶粒的過程。三次沖擊相對單次沖擊而言，位錯密度更高，位錯胞和亞晶的的尺寸也更小，因而可以獲得更加細小的晶粒。

3.2 抗應力腐蝕性能的提升

圖3所示的結(jié)果表明激光沖擊噴丸是提升2195鋁鋰合金抗應力腐蝕性能的有效方法。在應力腐蝕介質(zhì)中，材料失效的方式為應力腐蝕斷裂，整個失效的過程會經(jīng)歷裂紋的萌生、擴展、貫穿，直至斷裂。殘余壓應力的存在會提升裂紋萌生的閾值，使裂紋難以萌生。同時殘余壓應力也會在裂紋擴展的階段形成持續(xù)的阻力，對裂紋形成閉合效應，因此激光沖擊誘生的表層殘余壓應力是抗應力腐蝕性能提升的重要因素。

在裂紋擴展的階段，激光沖擊引入的晶粒細化層也會起到一定的阻礙作用。因為細化的晶粒會使晶界比例大幅提升，不論是對于沿晶還是穿晶擴展的裂紋，大量的晶界都會使裂紋的擴展遇到重重阻力，使得裂紋難以長大和貫穿，從而難以發(fā)生應力腐蝕斷裂。

4 結(jié)論

（1）可通過激光沖擊噴丸的方法制備組織結(jié)構(gòu)均勻的2195鋁鋰合金表層納米化材料，且多次沖擊相對單次沖擊而言，能使表層晶粒近一步細化。

（2）激光沖擊噴丸能夠在合金表層引入殘余壓應力，多次沖擊后殘余壓應力數(shù)值更大。

（3）激光沖擊噴丸是提升2195鋁鋰合金抗應力腐蝕性能的有效方法。在應力腐蝕環(huán)境中，殘余壓應力和晶粒細化表層能夠阻礙裂紋的萌生和擴展，防止應力腐蝕斷裂。