侯果;朱颖;郭伟;范博文;黄帅
【摘 要】为了研究激光冲击次数和冲击能量对TC17钛合金微观组织和表面硬度的影响,采用不同的工艺参量对TC17钛合金进行了激光冲击强化处理.TC17钛合金在激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,冲击过程中位错发生增殖、塞积、缠结等现象,单脉冲冲击形成的微凹坑的深度最大可达21.4μm;脉冲能量为5J、搭接冲击次数从1次增加到4次时,材料的表面硬度相比母材的增幅分别为8.3%,17.2%,24.3%和24.5%;5J和7J冲击1次时,表面硬度相比母材增幅分别达8.3%和14.2%.结果表明,随着冲击次数和脉冲能量的增加,TC17材料表面硬度随之增加,激光冲击强化使材料表面产生高密度位错,这是其表面硬度增加的关键原因.%To study the influence of laser shock peening number and pulse energy on microstructure and surface hardness of TC17 titanium alloy, TC17 titanium alloy samples were laser shock peened with different process parameters. The results show that severe plastic deformation and a great deal of high-density dislocations, such as proliferate, pile up and tangle, are generated in the material surface layer in the process. The maximum depth of micro-pits created by single pul
se can be 21. 4μm. When pulse energy is 5J, and overlap impacts increase from 1 time to 4 times, the surface hardness of materials increases by 8. 3%, 17. 2%, 24. 3% and 24. 5% respectively, compared with parent metal. In the meantime, when overlap impact is 1 time, and pulse energy is 5J and 7J, the surface hardness increases by 8. 3% and 14. 2% respectively. The conclusion is that the surface hardness is enhanced with the increase of impacts and pulse energy. High density dislocation on material surface by laser shock processing is the key reason for the increase of surface hardness.
【期刊名称】《激光技术》
【年(卷),期】2017(041)001
【总页数】6页(P68-73)
【关键词】激光技术;激光冲击强化;TC17钛合金;微观组织;表面硬度
【作 者】侯果;朱颖;郭伟;范博文;黄帅
【作者单位】北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学 物理科学与核能工程学院,北京100191
【正文语种】中 文
【中图分类】TG665
钛合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好和耐高温等一系列优点，其广泛应用于航空、航天、化工、电力等领域[1-2]，因此被称为“太空金属”和“海洋金属”。其中，TC17由于其α+β的双相结构，并且具有较高的强度、韧性和淬透性，以及良好的热稳定性、断裂韧性和抗蠕变性，被广泛应用于航空发动机叶片和压气机转子等部件[3]。但是，金属材料经常发生疲劳、腐蚀和磨损等失效现象，并且几乎都发生在材料表面。钛合金也不例外，TC17钛合金叶片作为飞机的重要构件，因为经常受冲刷磨损的作用而引起疲劳断裂，所以提高其表层硬度是一种十分有效的工艺处理方法[4]。
激光冲击强化(laser shocking peening，LSP)技术是利用高峰值功率密度(GW/cm2级)、短脉冲(纳秒级)的激光，通过与物质的相互作用而产生的高压冲击波所带来的力学效应对材料表面进行强化处理的技术[5]。与其它表面强化技术相比，激光冲击强化技术由于自身的超高应变率、热影响较小和良好的可控性等优点而成为表面改性领域的研究热点[6]。国外对于激光冲击强化技术的研究已经有50年，激光冲击强化技术的设备、工艺、机理和应用研究都比较成熟[7-8]。而我国激光冲击强化技术的发展比较缓慢，直到20世纪90年代，我国高功率铷玻璃激光装置的成功研制才开启了激光冲击强化技术的研究[9]。目前国内学者对不锈钢、铝合金及TC4钛合金等材料进行了相当多的试验研究，代表单位有空军工程大学、江苏大学和北京航空制造工程研究所等[10-13]，但他们同样对航空方面应用较多的TC17钛合金的研究还较少。本文中选用TC17钛合金作为研究对象，尝试用不同的工艺参量对试样进行冲击强化，探索不同冲击次数和冲击能量对材料微观组织和表面形貌、硬度的影响。
1.1 试验材料
试验中采用TC17钛合金，其主要化学成分如表1所示。TC17钛合金名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，是由美国空军和通用电气公司于20世纪70年代合作研制成功的新型高性能航
空发动机材料，是一种富含β稳定元素的α+β两相钛合金[14]。采用线切割机床加工出单脉冲冲击和搭接冲击的试样，如图1所示。其中单脉冲冲击试样为100mm×40mm×5mm的钛板，为降低粗糙度带来的影响，将其打磨光滑，在钛板中间区域进行单脉冲冲击；搭接冲击试样为10mm×10mm×5mm的小块，激光冲击强化之前将小块10mm×10mm的这一面进行打磨抛光，冲击区域覆盖整个上表面。
1.2 试验方法
激光冲击强化试验采用中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室的整套激光冲击强化系统，该系统包括SGR-Extra型Nd∶YAG脉冲激光器、冲击光路、工件的夹持运动系统、约束层系统以及监控系统等部分(如图2所示)。其中Nd∶YAG脉冲激光器需要高功率、高频率、短脉宽等条件才能达到激光冲击强化的工艺要求，主要参量如表2所示。激光冲击强化打出的圆形光斑直径为2mm，搭接冲击时搭接率为50%，材料表面的吸收层和约束层分别采用0.4mm厚的黑漆胶带和1mm～2mm厚的水层。
在试验中，分别选定冲击1次、冲击2次、冲击3次和冲击4次对试样表面进行单脉冲冲击和光斑搭接冲击。
已知TC17钛合金的组成及性能，根据Fabbro冲击波峰值压力p与功率密度I的经验公式[15]计算，要使TC17材料发生塑性变形，功率密度应该超过1.6GW/cm2 [16]。激光功率密度与脉冲能量的关系[17]为：
式中，I0为激光功率密度，E为脉冲能量，τ为脉宽，D为光斑直径。因为脉宽τ和光斑直径D已经确定，由(1)式可知，能量超过约5J时TC17材料会发生塑性变形。根据激光器实际情况，本试验中采用5J能量和7J能量分别进行冲击实验。
本次激光冲击强化的试验方案汇总如表3所示。
试样冲击后通过JEM-2100透射电镜对搭接后试样的微观组织进行观察。将适当大小的试样用线切割切到0.3mm的厚度,并用砂纸打磨直至厚度为50μm，为了不破坏冲击面，只对未冲击面进行打磨。冲孔出直径∅3mm大小的透射试样后进行双喷减薄。减薄后便可在透射电镜下观察试样薄区的微观组织。
采用KLA-Tencor 3维白光干涉表面形貌仪对微凹坑的深度进行测量，分辨率为752pixel×480pixel，xyz行程为100mm×100mm×100mm。
表层硬度测试采用DHV-1000显微硬度计，测量载荷500g，加载后停留时间为15s。
2.1 表面形貌
单脉冲冲击后在试样表面留下直径大约2mm的微凹坑，微凹坑的深度则在一定程度上表征了材料表面塑性变形程度的大小。图3所示是经5J不同次数单脉冲冲击后的微凹坑深度的测量结果。
从图3可以看出，5J能量单脉冲冲击分别1次、2次、3次和4次后微凹坑的深度分别为4.66μm,15.3μm,20.8μm和21.4μm。随着激光冲击次数的增加，表面微凹坑的深度也随之增加，即材料表面的塑性变形也逐渐加剧；但是随着冲击次数的增加，微凹坑深度的增幅逐渐变小。
图4所示的是经7J能量冲击1次的单脉冲冲击后的微凹坑轮廓图，以及对微凹坑深度的测量结果。
对比图3a和图4可知，经5J能量和7J能量单脉冲冲击1次后的微凹坑深度分别为4.66μm和8.39μm，脉冲能量越高，形成的冲击波压力越高，材料的表面塑性变形加剧，导致微凹坑的
深度变大。
2.2 表面显微硬度
对单脉冲冲击后产生的微凹坑进行表面硬度的测量，测量方式如图5所示。从微凹坑周围开始测量，每次测量间隔0.25mm，测量一直贯穿整个微凹坑直径，图5中，编号3和编号11为微凹坑的边缘，编号7为微凹坑的中心处。
图6所示的是经5J能量不同次数单脉冲冲击后的微凹坑硬度分布。从图6可以看出，基体表面硬度为225HV0.5左右，随着逐渐接近微凹坑的中心，硬度逐渐增加并在中心处达到最大值。冲击次数为1次、2次、3次和4次中心处硬度分别为252HV0.5，270HV0.5，288HV0.5和290HV0.5，相比基体硬度的增幅分别为12.0%，20.0%，28.0%和28.9%。在冲击次数为3次以下时，随着冲击次数的增大，在相对应的微凹坑的边缘和中心处，硬度都逐渐增加。而在冲击次数达到4次时，微凹坑各个位置硬度与3次冲击下的硬度相比基本没有变化，这说明在冲击3次后，再次进行冲击对硬度的影响并不明显。
图7所示的是经不同能量单脉冲冲击后微凹坑的硬度分布。由图7中同样可以看出，逐渐接近
微凹坑的中心时，硬度也逐渐增加并在中心处达到最大值。5J能量冲击1次和7J能量冲击1次时，中心处硬度相比于基体硬度的增幅分别为12.0%和18.6%。说明脉冲能量的增加对微凹坑平均硬度的提高有良好的效果。
分别对母材和搭接冲击试样的表面硬度进行测量，测量示意图如图8所示。在试样表面中心位置任取一条直线，并从左向右依次测量5个点，每个点间隔1.5mm。
图9所示的是母材和经5J能量不同次数搭接冲击后试样表面的硬度分布。从图9中可以看到，在3次冲击次数以下时，表面硬度随冲击次数的增加而增加。母材表面平均硬度为225.2HV0.5，冲击次数为1次、2次、3次和4次下表面平均硬度分别为243.8HV0.5,264.0HV0.5,280.0HV0.5和280.4HV0.5，相比母材硬度的增幅分别为8.3%,17.2%,24.3%和24.5%。若继续冲击，其表面硬度的提高很小，这也与之前单脉冲冲击后，微凹坑的硬度变化相似。进一步说明冲击3次后继续冲击，表面塑性变形有限，激光冲击强化提高表面硬度的效果趋向饱和。
图10所示的是不同脉冲能量搭接冲击后试样表面的硬度分布。从图10中同样发现搭接冲击后，随着脉冲能量的提高，材料的表面硬度也随之提高。5J能量和7J能量冲击时表面平均硬
度分别为243.8HV0.5和257.2HV0.5，相比母材增幅分别达8.3%和14.2%，激光冲击强化的能量越大，强化效果越好。
2.3 微观组织
图11为冲击能量为5J能量时，不同搭接冲击次数下TC17钛合金的透射电镜显微图(transmission electron microscope,TEM)。
TC17是α+β型两相钛合金，从图11a中可以看出，未冲击时，β相内部靠近晶界处有少量位错，它们分布得较为分散，而在α相中几乎没有看到位错；冲击1次时，由图11b可以看到晶粒内发现大量位错线，并在晶界处遇阻发生塞积；当冲击次数由2次逐渐增加到4次时，位错密度不断增大，除晶界外，在α相和β相内部都发现大量位错，位错不断滑移、增殖，发生塞积、缠结等现象，如图11b～图11e所示。
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