覃恩偉， 劉麗霞， 劉成威， 陸海峰， 吳樹輝

(1. 蘇州熱工研究院有限公司 表面工程研究所， 江蘇 蘇州 215004；2. 蘇州市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院， 江蘇 蘇州 215104)

相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械噴丸強(qiáng)化，激光沖擊強(qiáng)化具有自動(dòng)化、精確控制、高強(qiáng)度、無物理介質(zhì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，所產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力和應(yīng)力影響深度也遠(yuǎn)優(yōu)于前者。隨著激光及自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，通過激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)提高機(jī)械零部件的疲勞壽命和降低應(yīng)力腐蝕開裂傾向，在航空、核電、能源等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[1]。

激光沖擊工藝參數(shù)對(duì)強(qiáng)化效果影響顯著，激光功率密度、激光頭移動(dòng)速率、光斑搭接率等因素影響殘余壓應(yīng)力及其深度，進(jìn)而影響工件的疲勞壽命、腐蝕行為。朱然等[2]在航空鈦合金TC6中，采用Nd:YLF平頂激光，研究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)其表面應(yīng)力和變形的影響規(guī)律，結(jié)果顯示搭接率、沖擊次數(shù)、沖擊能量等核心參數(shù)顯著影響表層殘余應(yīng)力分布、表面粗糙度及工件變形。王帥等[3]、Wang等[4]通過數(shù)值模型和有限元計(jì)算對(duì)激光沖擊過程進(jìn)行仿真，并進(jìn)而基于塑性變形模型計(jì)算殘余應(yīng)力分布，其計(jì)算仿真結(jié)果有助于理解激光沖擊過程和工藝參數(shù)優(yōu)化。目前激光沖擊強(qiáng)化研究及應(yīng)用大部分集中在大能量范圍，表1總結(jié)了近幾年該領(lǐng)域在不同合金體系的代表性工作。大能量單激光脈沖在3～30 J，可以在大直徑光斑(～數(shù)毫米)條件下獲得高功率密度，從而保證加工效率。

針對(duì)大型零部件的強(qiáng)化以提高服役壽命和安全可靠性，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備的小型化、便攜式、移動(dòng)式和遠(yuǎn)程加工提出了更高的需求。例如核電站核島內(nèi)大量的焊縫區(qū)域潛在的應(yīng)力腐蝕開裂傾向，通過光纖將激光束導(dǎo)入到待加工區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程處理是合理的解決方案。由于光纖傳輸特性，其脈沖能量在毫焦耳量級(jí)。然而，在低能量激光脈沖中(單脈沖能量90～400 mJ)，為獲得可觀的功率密度，光斑面積一般在百微米尺度。為彌補(bǔ)小光斑面積，可通過單位時(shí)間脈沖數(shù)量即脈沖頻率以保證加工效率。例如Caralapatti等[5]研究了超高重頻激光沖擊強(qiáng)化對(duì)鎂合金腐蝕行為的影響。其采用350 mJ脈沖能量，光斑面積僅為40 mm，脈沖頻率高達(dá)10 kHz。高重頻需要高速掃描系統(tǒng)，否則在同一區(qū)域持續(xù)沖擊將導(dǎo)致基體材料燒蝕。文中采用X、Y雙向振鏡系統(tǒng)以控制單位面積脈沖數(shù)量[5]。

圖1 在線遠(yuǎn)程激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)(a)和激光沖擊強(qiáng)化處理區(qū)域表觀面積(b)與實(shí)際面積(c)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the online remote laser shock peening system(a), apparent area(b) and actual area(c) of laser shock peened zones

表1 近期文獻(xiàn)報(bào)道的典型激光沖擊強(qiáng)化合金的激光參數(shù)

本文針對(duì)大型零部件的在線強(qiáng)化需求，采用低能量高重頻激光脈沖，配合機(jī)械手移動(dòng)速率，擬建立激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)之間匹配及其與性能的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究試驗(yàn)材料選擇316L不銹鋼，其為一種典型的面心立方晶體結(jié)構(gòu)模型材料和核電常用結(jié)構(gòu)材料，試樣尺寸為100 mm×100 mm×20 mm。在1050 ℃固溶2 h，經(jīng)水淬后，采用機(jī)械研磨至表面粗糙度Ra約6 mm，為模擬實(shí)際工況下的機(jī)械構(gòu)件表面，試樣未作進(jìn)一步拋光。

1.2 檢測(cè)方法

殘余應(yīng)力采用X射線衍射原理測(cè)量(Proto iXRD應(yīng)力儀)，選用靶材為Cr靶，波長(zhǎng)0.2291 nm，掃描步幅0.1°。通過逐漸剝層法測(cè)量距離表面不同深度位置的殘余應(yīng)力。采用電解拋光不同時(shí)間溶解材料以獲得不同的深度，電解液為飽和NaCl溶液，電壓為30 V，電解面積為2 mm2。隨機(jī)測(cè)量3個(gè)點(diǎn)取殘余應(yīng)力平均值。

粗糙度采用非接觸式白光干涉儀測(cè)量(Bruker ContourGK三維輪廓儀)，以輪廓算術(shù)平均偏差評(píng)估表面粗糙度，選擇表面3個(gè)區(qū)域測(cè)量取平均值。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用激光器為YAG固體激光器，波長(zhǎng)532 nm，沖擊強(qiáng)化主要參數(shù)為單脈沖能量50 mJ，脈沖寬度10 ns，脈沖重頻200 Hz，光斑直徑d在0.4～1.0 mm調(diào)節(jié)，相應(yīng)的機(jī)械臂移動(dòng)速率為20～80 m/s。以去離子水為光斑約束層，通過水壓調(diào)節(jié)水膜厚度穩(wěn)定在0.5～1.5 mm。整套系統(tǒng)定位于大型工件的在線加工，無吸收層，激光束通過光纖遠(yuǎn)程傳輸，試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1(a)所示。

圖2 覆蓋率與橫軸、縱軸方向間距的關(guān)系Fig.2 Relationship between coverage ratio and distance in directions of horizontal and vertical axes

在一定激光參數(shù)下，存在一定的CR門檻值，使得在試樣中獲得的最大殘余應(yīng)力值(即飽和殘余壓應(yīng)力)。本試驗(yàn)首先獲得飽和殘余壓應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的CR值；在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)光斑直徑d與機(jī)械手移動(dòng)速率v匹配，分析所獲得的殘余壓應(yīng)力分布及表面粗糙度的關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力飽和曲線

在t時(shí)間內(nèi)，機(jī)械手移動(dòng)的距離為vt，v為機(jī)械手移動(dòng)速率，同時(shí)也可表達(dá)為Δxnt，即vt=Δxnt，由此Δx=v/n。因此，建立覆蓋率CR與機(jī)械手移動(dòng)速率v的關(guān)系，CR=0.866×(dn/v)2。在一定光斑面積下，通過機(jī)械手移動(dòng)速率調(diào)節(jié)CR范圍，以此建立激光沖擊強(qiáng)化殘余壓應(yīng)力與CR的關(guān)系。選取激光斑直徑d分別為0.4、0.6、0.8 mm，殘余應(yīng)力與CR關(guān)系如圖3(a)所示。在激光沖擊作用下，殘余應(yīng)力值為負(fù)即為壓應(yīng)力狀態(tài)，其絕對(duì)值存在初始緩慢增加、快速增長(zhǎng)、飽和平衡的過程，符合以S形增長(zhǎng)特征的Boltzmann方程表達(dá)，以該方程擬合曲線，并通過切線法獲得飽和覆蓋率(如圖3(b)中O點(diǎn)橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)CR值)。因此，在一定激光沖擊強(qiáng)化參數(shù)下，隨著激光束持續(xù)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，試樣發(fā)生位錯(cuò)或?qū)\生變形，微觀結(jié)構(gòu)的變化體現(xiàn)在宏觀殘余應(yīng)力持續(xù)增加。然而，存在一定的覆蓋率CR門檻值，在這個(gè)值之上，位錯(cuò)密度或?qū)\生界密度出現(xiàn)動(dòng)態(tài)飽和，反映在殘余壓應(yīng)力基本飽和。

圖3 不同光斑直徑下316L不銹鋼殘余壓應(yīng)力與覆蓋率 CR的關(guān)系(a)以及獲得飽和覆蓋率的切線方法(b)Fig.3 Relationship between residual compressive stress of the 316L stainless steel and the coverage ratio CR under different spot diameters(a) and tangent method to obtain saturated coverage ratio(b)

在對(duì)工程構(gòu)件進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，首要需確定飽和覆蓋率CR值。在本文激光參數(shù)下，對(duì)不同光斑直徑，飽和覆蓋率及對(duì)應(yīng)的飽和殘余壓應(yīng)力總結(jié)于表2中。3種光斑直徑對(duì)應(yīng)的飽和覆蓋率在6～7之間，小光斑直徑d為0.4 mm獲得的飽和殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值最高，為665±15 MPa。該殘余壓應(yīng)力數(shù)值約為316L不銹鋼抗拉強(qiáng)度(～500 MPa)的1.3倍。這可能是由于在激光沖擊強(qiáng)化高應(yīng)變速率(106s-1)下，產(chǎn)生了部分應(yīng)力致馬氏體，導(dǎo)致殘余應(yīng)力高于其抗拉強(qiáng)度。與公開的316L不銹鋼激光沖擊強(qiáng)化研究文獻(xiàn)對(duì)比，該飽和值與采用90 mJ低脈沖能量[19,21]或7 J高脈沖能量[16]所獲得殘余壓應(yīng)力相當(dāng)。

高能量脈沖激光沖擊通常采用黑色膠帶或鋁箔覆蓋試樣表面作為吸收層，以作防試樣燒蝕和增加等離

表2 不同光斑直徑下316L不銹鋼的飽和覆蓋率和殘余壓應(yīng)力

子體密度之用。本文由于低激光脈沖能量和現(xiàn)實(shí)的在線工程應(yīng)用，未施加吸收層，相對(duì)高脈沖能量低覆蓋率(搭接率50%，對(duì)應(yīng)覆蓋率CR約為3.46)，通過高覆蓋率(CR≈7)獲得了與之相當(dāng)?shù)娘柡蜌堄鄩簯?yīng)力值。同時(shí)，通過高重頻(～200 Hz)，配合一定的機(jī)械手移動(dòng)速率彌補(bǔ)了加工效率。

在滿足飽和覆蓋率的前提下，以不同光斑直徑d確定機(jī)械手移動(dòng)速率v，在d、v匹配下對(duì)比殘余應(yīng)力隨深度分布及粗糙度。統(tǒng)一以CR=7為飽和覆蓋率，v= 0.35×dn，光斑直徑d為0.4、0.6、0.8 mm隨對(duì)應(yīng)的機(jī)械手速率見表3，3個(gè)試樣分別命名為A04、B06和C08。

表3 CR=7時(shí)光斑直徑與機(jī)械手移動(dòng)速度匹配情況

2.2 殘余壓應(yīng)力分布

依據(jù)表3工藝參數(shù)，對(duì)激光強(qiáng)化的3種試樣殘余壓應(yīng)力進(jìn)行沿表層深度方向評(píng)估，殘余應(yīng)力隨深度變化趨勢(shì)如圖4所示。同樣以Boltzmann方程對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，定義殘余壓應(yīng)力值為零所對(duì)應(yīng)的深度值為激光沖擊強(qiáng)化壓應(yīng)力影響層深度，所得到的最大殘余壓應(yīng)力和影響層深度見表4。A04試樣的光斑直徑最小(0.4 mm)，獲得了最高的殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值(662±14 MPa)和影響層深度(565 μm)。其殘余應(yīng)力分布呈S形，在約200 μm深度范圍內(nèi)，殘余壓應(yīng)力僅降低10%。而在B06、C08試樣中，殘余壓應(yīng)力與深度更趨向于線性關(guān)系，即其殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值隨著距離表層深度的增加而迅速降低。激光脈沖功率密度I0=E/(A×t)，E為脈沖能量，A為光斑面積，t為脈沖寬度。A04、B06和C08試樣所對(duì)應(yīng)的功率密度分別為1.59、1.06和0.80 GW/cm2。由此可見，直徑d為0.4 mm的小光斑對(duì)應(yīng)最高的功率密度。功率密度顯著影響了最大殘余壓應(yīng)力值和影響層深度。

圖4 不同激光沖擊316L不銹鋼試樣的殘余應(yīng)力在 深度方向的分布Fig.4 Distribution of residual stress in depth direction of different laser shock peened 316L stainless steel specimens

表4 不同激光沖擊試樣的最大殘余壓應(yīng)力及影響層深度

2.3 表面粗糙度

表面粗糙度是材料疲勞壽命顯著影響因素之一，傳統(tǒng)機(jī)械噴丸處理后，由于丸粒沖擊對(duì)表面塑性變形的影響，使得表面粗糙度相對(duì)未處理顯著升高。激光沖擊強(qiáng)化后，不同試樣表面形貌如圖5所示，其中圖例為Z軸方向高度，4個(gè)子圖標(biāo)尺一致。從量化結(jié)果看(見表5)，在誤差范圍內(nèi)，經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的試樣粗糙度與未處理316L試樣基本相當(dāng)。另一方面，高應(yīng)變速率沖擊作用下，激光沖擊區(qū)域與未沖擊區(qū)域存在一定臺(tái)階(見圖6(a))，該臺(tái)階高度隨著激光功率密度的增加而增加(見圖6(b))。激光功率密度從0.80 GW/cm2(C08試樣)增加至1.59 GW/cm2(A04試樣)后，該臺(tái)階高度從8.2±2.2 μm增加至23.2±5.3 μm。該臺(tái)階的存在，有可能成為應(yīng)力集中位置，從而導(dǎo)致疲勞裂紋過早從這些區(qū)域萌生。因此，在高功率密度獲得理想的殘余壓應(yīng)力和應(yīng)力層深度前提下，需要保證合適的表面粗糙度以及與未處理區(qū)域邊緣的過渡部分。

圖5 不同激光沖擊試樣的表面形貌(a)A04；(b)B06；(c)C08；(d)未處理Fig.5 Surface morphologies of different laser shock peened specimens(a) A04; (b) B06; (c) C08; (d) untreated

表5 不同激光沖擊試樣的表面粗糙度Ra

圖6 不同激光沖擊試樣強(qiáng)化邊緣橫截面輪廓線(a)及 臺(tái)階高度與激光功率密度的關(guān)系(b)Fig.6 Cross-sectional contours of strengthened edge(a) and relationship between the step height and laser power density(b) of different laser shock peened specimens

3 結(jié)論

本文針對(duì)大型零部件的在線激光沖擊強(qiáng)化加工的工程應(yīng)用，采用低能量高重頻激光脈沖，通過光纖遠(yuǎn)程傳輸，區(qū)別于高能量激光沖擊強(qiáng)化，取得了如下研究結(jié)果：

1) 提出了采用飽和覆蓋率以表征激光沖擊強(qiáng)化的飽和殘余壓應(yīng)力。隨著覆蓋率的增大，表面殘余壓應(yīng)力呈Boltzmann關(guān)系增大。光斑直徑d在0.4～0.8 mm變化時(shí)，其飽和覆蓋率在6～7之間。在飽和覆蓋率為7、高重頻為200 Hz條件下，機(jī)械手移動(dòng)速率與光斑直徑的匹配關(guān)系為v=70d。

2) 在低能量激光脈沖下，通過小直徑光斑獲得高激光脈沖功率密度，從而獲得最大殘余壓應(yīng)力和壓應(yīng)力深度。最大殘余壓應(yīng)力隨著光斑直徑的減小而增大，當(dāng)光斑直徑d為0.4 mm時(shí)獲得最大殘余壓應(yīng)力，為662 MPa，影響層深度為565 μm。

3) 通過激光強(qiáng)化后，沖擊處理區(qū)域整體表面粗糙度未發(fā)生顯著增加，但與未處理區(qū)域邊緣存在一定的高度臺(tái)階，該臺(tái)階高度隨著激光功率密度的增加而增加，在最大激光功率密度下，該高度為23 μm。此時(shí)需要進(jìn)行過渡處理以避免應(yīng)力集中。