0. 引言

大多數金屬零件失效源于其表面,表面強化工藝可以有效改善金屬表面完整性,提高零件力學性能。常用的表面強化工藝有噴丸強化[1]、超聲滾壓強化[2]、超聲沖擊強化[3]、激光沖擊強化[4-5]等。其中,激光沖擊強化（LSP）具有峰值壓力高、應變速率大和靈活性好等優點,其通過誘導金屬表面塑性變形來改善微觀結構,引入殘余壓應力,從而顯著提高金屬零件的抗疲勞性[6]、耐磨性[7]、耐腐蝕性[8],因此得到了廣泛關注。

然而,對于難變形材料,激光沖擊強化工藝引入的殘余壓應力影響層深度有限。為解決這一問題,一些學者提出增添熱效應輔助提高材料塑性來提升激光沖擊強化效果的方法[9-10]。YE等[11]以AISI 4140鋼為研究對象,提出了以加熱板為熱源的高溫輔助激光沖擊強化（WLSP）技術,WLSP技術結合了應變時效和動態析出效應,能在提高試驗材料塑性的同時產生新的沉淀相,有效提高了殘余壓應力穩定性,從而增強了抗疲勞性。然而,采用傳統加熱板為熱源進行高溫輔助時,其加熱靈活性差、效率低,并且需要使用高溫易碎裂的玻璃作為約束層,無法用于曲面加工。激光作為一種局部加熱方式,能量密度高,能在短時間內對光斑區域實現快速精準加熱[12]。周建東等[13]研發了一種硬脆材料用高功率連續激光輔助加熱+高功率脈沖激光噴丸強化處理相結合的方法及配套裝置,采用胡耀武等[14]在脈沖激光強化的基礎上增添多束低功率藍光半導體激光輔助加熱,相較于傳統激光沖擊強化增強了材料的疲勞性能和斷裂韌性。

采用激光對強化面進行輔助加熱時受約束層影響其加熱效果不明顯。背面連續激光加熱不僅可以實現使用流動水作為約束層,還能增強熱效應,增加熱影響層厚度。目前,有關背面連續激光輔助激光沖擊強化效果的研究明顯不足。為此,作者采用高能激光束局部加熱試樣背面+脈沖激光沖擊強化試樣正面的方法對TC4鈦合金板進行表面強化處理,以未強化和傳統激光沖擊強化試樣為對比,研究了不同連續激光功率下試樣溫度、物相、硬度和表面及深度方向殘余應力分布。

1. 試樣制備與試驗方法

試驗材料為退火態TC4鈦合金軋制板材,尺寸為1000mm×800mm×2mm,由寶雞福瑞隆新材料科技發展有限公司提供,化學成分（質量分數/%）為6.24Al,0.174Fe,4.34V,0.009C,0.000 6H,0.006N,0.141O。

在鈦合金板上切取尺寸為30mm×15mm×2mm的試樣,試樣正面依次經240#~2000#砂紙打磨并進行超聲波清洗后,采用TRLi ST 850-10型Nd∶YAG脈沖激光器和YLR-200-MM-AC型連續波光纖激光器進行連續激光輔助激光沖擊強化（AP-LSP）,強化區域如圖1（a）所示。試樣沿預設的掃描路徑移動,脈沖激光和連續激光從兩側同軸分別作用在試樣正面和背面,如圖1（b）所示。脈沖激光波長為1064nm,頻率為1Hz,脈寬為10ns,激光能量密度為6GW·cm−2,圓形光斑直徑為1.0mm,搭接率為50%,保護層為120μm厚的鋁箔,約束層為流動水；連續激光波長為1064nm,圓形光斑直徑為6mm,功率為40~100W。使用TCM-UA型熱電偶和AT61P6X型紅外測溫儀監測試樣正背面溫度,測點在激光照射中心區域。將強化前的試樣和不進行連續激光輔助的脈沖激光沖擊強化試樣（工藝參數相同）作為對照。

圖 1連續激光輔助激光沖擊強化區域及過程示意

Figure 1.Area (a) and process (b) diagrams of continuous laser-assisted laser shock peening

采用VK-X200K型激光共聚焦顯微鏡觀察試樣背面三維形貌并測試其表面粗糙度。采用XRD-7000型X射線衍射儀（XRD）對試樣正面進行物相分析,掃描電壓為40kV,掃描電流為30mA,掃描速率為5（°）·min−1,掃描范圍在30°~90°。采用HV-1000Z型顯微硬度計測試試樣正面顯微硬度,載荷為0.98N,保載時間為10s。采用AST-XL640型殘余應力測試系統測試殘余應力,銅靶,Kα射線,衍射角在135°~148°,測試電壓為25kV,電流為6mA,準直管光斑直徑為2mm,應力常數為−277MPa,測試晶面為{213}晶面,{213}晶面的X射線彈性常數${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\{</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">213</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\}</span>}$和$\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}^{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\{</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">213</span>}<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">\}</span>}$分別為−2.83×10−6,11.68×10−6mm2·N−1,使用sin²Ψ法分析測試結果。使用由4% HF+ 14% HNO3+ 82% H2O（體積分數）配制而成的溶液對試樣進行電解剝層以測試不同深度的殘余應力,使用配套的螺旋測微儀測量電解剝層深度,每次腐蝕10s,每層測3點,直到殘余應力為拉應力時結束試驗。

2. 試驗結果與討論

2.1 背面三維形貌和溫度

由圖2可見：連續激光輔助激光沖擊強化前試樣背面均呈連續凹凸不平的峰谷形貌,峰谷之間最大高度差為9.4μm。計算可得不同試樣的背面形貌相似,背面的表面粗糙度Ra均在0.94~0.99μm,因此可以忽略背面粗糙度差異對連續激光吸收率的影響,認為所有試樣背面對輔助加熱的激光吸收率相同。

圖 2連續激光輔助激光沖擊強化前不同試樣背面三維形貌

Figure 2.Three-dimensional morphology of back surface of different samples before continuous laser-assisted laser shock peening

由圖3可見：隨著連續激光功率由40W增大至100W,試樣背面溫度從110℃提高至310℃,呈線性升高；正面溫度同樣呈上升趨勢,但升溫速率減小,最終正面溫度穩定在90~95℃。這是因為試樣正面除空氣外還有流動水約束層,隨著激光功率增大,正面溫度與水溫的溫差增大,熱流密度增大,單位時間內的傳熱熱量增大,對流換熱劇烈,所以正面溫度升高趨勢逐漸平緩。

圖 3連續激光輔助激光沖擊強化試樣正面和背面溫度隨連續激光功率的變化曲線

Figure 3.Chang curves of front (a) and back (b) temperature vs continuous laser power of continuous laser-assisted laser shock peening sample

2.2 物相組成

TC4鈦合金中β相含量較少且分布零散,XRD檢測難以采集對應峰。由圖4可見：未強化和不同工藝激光強化試樣的XRD譜中主要為α相衍射峰；相比未強化試樣,激光沖擊強化和連續激光輔助激光沖擊強化試樣的XRD譜中均無新峰出現,表明強化過程中的溫度并未達到TC4鈦合金的相變溫度。

圖 4未強化、激光沖擊強化和不同功率連續激光輔助激光沖擊強化試樣的XRD譜

Figure 4.XRD patterns of samples without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power

2.3 表面硬度

由圖5可見：未強化、激光沖擊強化試樣的正面硬度分別為346.1,368.7HV,不同功率連續激光輔助激光沖擊強化試樣的正面硬度在373.9~378.5HV,功率的變化對硬度影響幾乎可以忽略不計。材料硬度主要受晶粒大小和位錯密度的影響,激光沖擊強化后試樣正面表層位錯密度增大,硬度提高；連續激光輔助會使試樣溫度升高,改善其塑性,從而提高強化效果,但由于溫度提高幅度較小（100℃以下）,同時溫度的升高也會加速位錯湮滅,因此連續激光輔助激光沖擊強化試樣的硬度相較激光沖擊強化試樣提高不明顯。

圖 5未強化、激光沖擊強化和不同功率連續激光輔助激光沖擊強化試樣的表面顯微硬度

Figure 5.Surface microhardness of samples at without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power

2.4 殘余應力

由圖6可見：未強化試樣、激光沖擊強化試樣和連續激光輔助激光沖擊強化試樣的表面殘余壓應力依次增加。未強化試樣的殘余壓應力由磨拋引入；對其進行激光沖擊強化后由于溫度升高,材料軟化,塑性變形能力提高,因此殘余壓應力增加；使用高能激光束在其背面進行輔助加熱后,在激光沖擊效應和加熱效應的共同作用下材料的塑性變形能力更強,變形程度更大,使得殘余壓應力進一步增大。隨著連續激光功率增加,試樣表面殘余壓應力先增加后減小,這是因為在流動水約束層的冷卻作用下,功率合適的激光可以在快速對試樣進行精準局部加熱的同時避免試樣整體溫度提升而導致的硬度降低和殘余應力釋放,而激光功率過高則會使熱量積累,使得試樣整體處于較高溫度,從而導致殘余應力松弛[15]。

圖 6不同處理態試樣的殘余應力沿深度方向分布

Figure 6.Residual stress distribution along depth direction of samples at different treatment states

未強化試樣、激光沖擊強化試樣和連續激光輔助激光沖擊強化試樣的殘余壓應力影響層深度依次增大；隨著連續激光功率增加,殘余壓應力影響層深度先增后減,當連續激光功率為60 W時達到最大,為470μm,相比激光沖擊強化試樣（370μm）增加了100μm。隨著距材料正面（強化面）距離增加,激光沖擊波峰值壓力逐步衰減,誘導塑性變形能力減弱；增加連續激光背面輔助加熱后材料聲阻抗減小,減緩了沖擊波在材料內部的衰減,使得沖擊波傳播距離更遠,能夠誘導更深處的材料發生塑性變形；然而,連續激光作用導致的殘余應力增加和溫度升高引起的殘余應力松弛存在競爭機制,激光功率過大時反而會使殘余應力大小和影響層深度減小[15]。

3. 結論

（1）隨著連續激光功率增大,連續激光輔助激光沖擊強化TC4鈦合金試樣背面溫度呈線性升高,正面溫度同樣升高但升高趨勢變緩,逐漸趨于平穩,且強化過程中溫度的升高未引發TC4鈦合金相變。

（2）相較未強化和激光沖擊強化試樣,連續激光輔助激光沖擊強化試樣的正面硬度增大,但連續激光功率變化對硬度無顯著影響。

（3）相較未強化和激光沖擊強化試樣,連續激光輔助激光沖擊強化試樣的表面殘余壓應力和殘余壓應力影響層深度增加,并且二者均隨著連續激光功率增加呈先增加后減小的趨勢,當連續激光功率為60W時達到最大,分別為431.4MPa,470μm。

文章來源——材料與測試網