薄壁钛合金 Ti17激光冲击强化表面完整性研究*

槐艳艳，赵吉宾，乔红超，张洪瑶

(1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110176;2.中国科学院大学 北京 100049)

薄壁钛合金Ti17激光冲击强化表面完整性研究*

槐艳艳1,2，赵吉宾2，乔红超2，张洪瑶1,2

(1.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110176;2.中国科学院大学 北京 100049)

针对激光冲击强化在航空发动机领域的应用，对Ti17钛合金冲击后的表面完整性进行了系统的研究，为工程应用提供重要参考依据。文章采用不同光斑密度和激光能量对钛合金薄板进行冲击实验，对表面完整性三个因素表面粗糙度、残余应力、显微硬度进行研究。冲击后零件表面粗糙度增大，且光斑密度的贡献较为显著。对残余压应力进行了量化研究，以应力值为目标进行了回归方程的拟合和方差分析。残余应力二维分布存在差异，为优化冲击路径提供了数据参考和理论指导。对深度方向的显微硬度进行了测量，实验用Ti17为混合组织，片层状的次生α相在冲击波的作用下发生球化形成等轴纳米晶，导致冲击后其显微硬度降低。

激光光学；钛合金；激光冲击强化

0 引言

表面完整性是零件表面几何纹理和物理性质的总称，包括表面粗糙度、显微组织、残余应力等参量。残余应力、组织结构、表面粗糙度和显微硬度是对微动疲劳影响最主要的因素。任何一种金属材料及其零件的疲劳断裂源绝大多数萌生于表面。Ti17合金是一种具有高强度、高韧性和高淬透性的“三高”合金，应用于发动机的轴、压气机盘及叶片、起落架等部件，Ti17是一种表面完整性非常敏感的材料，且强度越高敏感性越高[1]，其主要失效形式为疲劳断裂。随着新的研制需求，钛合金零件越来越薄，同时又需要具有更高的强度和抗损伤性能，在不改变基体材料性能的前提下，合理的激光冲击强化可以改善金属材料的表面完整性，是提高疲劳性能的重要手段。

众多学者对激光冲击强化技术进行了大量研究并取得了丰富的成果，激光冲击强化技术可引入较大的残余压应力提高疲劳寿命已得到广泛认可[2-5]。现有的研究中采用的试样厚度3 mm以下的较少[6-8]，学者C.Cellard, D.Retraint对1mm厚的钛合金薄板激光冲击后却在零件表层检测到拉应力，这与预期的效果是相反的[9]，因此充分发挥激光冲击强化的有利因素，避免或减少不利因素是有效利用该技术的关键。针对上述现状，本文采用2 mm厚的Ti17钛合金材料为研究对象，填补了该厚度的研究空白，丰富了钛合金薄壁件激光冲击强化的研究内容，且航空领域对薄壁件有大量需求，因此为激光冲击强化在航空领域的应用提供了可靠的工艺参考。

1 实验

1.1 材料

Ti17钛合金不但具有α+β型合金的特点，也是一种富β稳定元素的过渡型合金，其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，合金元素含量总和17% 。其成分如表1所示[10]，其中Al、Sn、Zr金属元素主要用于固溶强化α相，Mo既能强化β相又能提高合金的淬透性，Cr稳定的β相比其它同晶型β稳定元素具有更高的延展性和韧性。其主要性能如表2[10]。 试样尺寸为10 mm× 60 mm×2 mm。

表1 Ti17 钛合金的主要化学成分(质量分数：%)

表2 Ti17的主要材料性能

1.2 设备及方法

试件加工过程中由于切削力和切削热的作用会产生应力，为避免应力对试验结果的影响，冲击试验前用HY4050 豪克能应力消除设备( 频率为 40 kHz ，输出振幅为 50μm)对试件进行去应力处理。试件冲击强化前用100#～2000#的SiC砂纸逐级打磨，再用三氧化二铬水溶液(Cr2O3) 进行抛光直至表面光洁无划痕，最后用无水乙醇清洗。

试验采用的激光冲击强化系统示意如图1所示。激光器采用Extra 系列脉冲纳秒Nd:YAG激光器，波长为1064 nm,光斑直径4 mm，采用黑胶带(厚度0.2 mm)做为吸收保护层，以流动水膜做为约束层(厚度约2 mm)，试件背面夹具材料为铝合金。在其他试验条件一致情况下，对光斑密度分别为12 cm-2、18 cm-2、27 cm-2三水平和激光能量3J、5J、7J水平的全因素单面冲击试验。单个光斑面积有限，要实现大面积的冲击强化需通过光斑的搭接实现。以往的研究中采用的光斑搭接方案如图2a所示[4,11-13]，当光斑密度小于15 cm-2时试样表面不能完全被光斑覆盖，通过改进搭接方案可避免该问题，因此采用图2b所示意的搭接方案和冲击路径。当大面积冲击时，光斑在冲击表面呈周期性重复分布，对试件表面全部进行冲击实验。冲击试验结束后去除残余黑胶带，用无水乙醇进行清洗。

图1 激光冲击强化系统示意图

1.3 检测方法

为避免冲击区域接近试样边缘带来的边际效应，研究区域靠近试样中心位置远离边缘2 mm以内。冲击强化前和冲击强化后的全部零件都采用Taylor Hobson Surtronic 3+系列表面粗糙度仪沿x方向和y方向各5次进行表面粗糙度测量，取平均值最为每个零件的最终测量结果。采用ZYGO公司的NewView5022型表面轮廓仪(横向分辨率11 nm，垂直分辨率0.1 nm/3nm/20 nm，最大扫描深度2～150μm)对冲击强化前和强化后的所以零件的光学三维轮廓全部进行了测量。采用Proto-LXRD型大功率X射线应力分析仪，侧倾固定 Ψ 法对表面残余应力进行检测，检测参数如表3所示。分别测量光斑中心和搭接处两点的x方向的残余应力值，取算数平均值为该零件的x方向的应力值，同理测得y方向的应力值。用HV-1000型硬度计测量深度方向的显微硬度，因光斑在试样表面二维空间呈周期分布，取最小周期3mm×3mm的矩形为测量区域，以矩形中心为起点，分别沿水平和竖直轴的正负两个方向距离起点0.75 mm、1.5 mm处共取9点，加载重量500 g ，保持载荷15 s，最后取平均值。

(a) 以往的搭接方案 (b) 本文搭接方案 图2 搭接路径示意图

参数值衍射晶面(213)管电压(kV)25管电流(mA)30准直管直径(mm)2

2 结果与分析

2.1 表面形貌

零件表面质量对疲劳性能和磨损性能都有重要影响，关系到产品使用寿命。搭接冲击处理工艺中如果吸收层或者冲击能量选择不当，工件表面会发生熔融与汽化，使得表面粗糙度降低。因此分析冲击处理前后的表面形貌对评价工艺参数有重要意义。

表面粗糙度测量结果Ra和Rz及其相应的标准差如图3和图4所示。冲击强化前零件的表面粗糙度测量结果非常相近，Ra在0.0242μm左右，Rz在0.123μm左右。冲击强化后零件的表面粗糙度值均有明显的增加，其中光斑密度12 cm-2、激光能量3J时零件的表面粗糙度值最小，在光斑密度27cm-2、激光能量7J的表面检测到最大粗糙度值Ra0.1262μm，Rz0.4096μm。由测量结果可知，相同激光能量冲击后的表面粗糙度值没有明显变化，而光斑密度则对表面粗糙度的贡献较为显著。

图3 冲击前和冲击后表面粗糙度Ra测量结果

图4 冲击前和冲击后表面粗糙度Rz测量结果

冲击强化前试件表面均匀平整，峰谷值(PV)为3.075μm，峰值1.44227μm，谷值-1.6337μm。冲击后的试样的峰值有微小波动在测量误差范围内。冲击强化过程中受到冲击波的力学作用，零件表层产生塑形变形，产生凹陷，使得冲击后零件表面的最低点相较冲击前试件的最低点的值都有显著的增加，如图5所示，在光斑密度146脉冲宽度处检测到最大PV值6.901μm。这与其他学者在不同材料冲击后的零件表面观测到的凹坑现象一致。

图5 冲击强化前后的PV值测量结果

冲击强化前，零件表面均匀平整，无明显的凸起和凹陷，如图6a所示。强化后，光斑密度12cm-2时，零件表面沿x方向光学检测结果有明显的衍射条纹产生，例如能量3J光斑密度12cm-2的检测结果图6b。说明在x方向上相邻光斑的塑形变形量是相同的，而在y方向的变形则呈现沿过光斑中心的x轴的对称分布。光斑能量呈高斯分布，单个光斑冲击时光斑中心区域变形量大于边缘，但当光斑沿x方向移动时，虽然搭接区域处于光斑边缘，但是相邻光斑冲击的时间间隔非常小，在连续冲击的作用下搭接区域与光斑中心的变形量差别不明显。当光斑密度18cm-2时，虽然y方向的相邻光斑时间间隔不变，但是由于光斑密度的增加，相邻光斑的覆盖重叠率达到50%，零件表面每点都经过光斑中心的强化作用，从而使x和y方向的变形差异减小，所以衍射条纹边界模糊，如图6c。当光斑密度27cm-2时，光斑重叠率进一步增大，零件表面每点都历经多次冲击，冲击波的累积作用使材料塑性变形差异减小，甚至达到饱和，衍射条纹消失，如图6d所示。

(a) 未冲击试样表面光学三维轮廓

(b) 能量3 J光斑密度12cm-2的三维轮廓

(c) 能量5 J光斑密度18cm-2的三维轮廓

(d) 能量7 J光斑密度27cm-2的三维轮廓图6 表面三维轮廓测量结果

2.2 残余应力

激光冲击强化过程中，在冲击波作用下滑移面产生位错运动，形成高密度的位错缠结，在材料表层以塑性变形的形式表现，并形成残余压应力[4-5,12-13]。

冲击前x方向残余应力为-14MPa，y方向为-18MPa，差异微小。表4为冲击强化后零件表面的残余应力分布。激光能量7J，光斑密度27cm-2时，x方向和y方向均获得最大残余压应力，-384MPa和-467MPa。当光斑密度由12 cm-2增加到18 cm-2时，残余应力增益60%左右，而当光斑密度由18 cm-2增加到27 cm-2时，残余应力增益约200%。以光斑密度和能量为变量因子，冲击后的残余压应力值为响应，用最小二乘法进行回归方程的拟合，以y方向为例，得到二次回归方程式(1)。

RS_y=492.117+2.06141A2-6.77583B2-
72.20278A+38.951B+2.55867AB

(1)

回归方程中参数A代表激光能量，B代表光斑密度。方差分析结果如图7和图8。相关系数R2接近1，P值小于0.01，回归方程具有显著意义。分析回归方程和等高线图示可知，光斑密度和激光能量及二者的交互作用对残余应力都有贡献，且激光能量的作用最显著。x方向的残余应力结果相似。

分析实验结果可知，虽然两个方向的残余应力都有提高，但相同激光参数的强化结果y方向的残余应力始终比x方向大。C. Correa对冲击后的零件进行疲劳试验，发现相同激光参数冲击后，零件在疲劳载荷加载方向分别平行于x轴和y轴得到的疲劳寿命结果不同。载荷平行于x轴的疲劳寿命大于载荷平行于y轴时获得的疲劳寿命[14]。本文通过残余应力的检测结果进一步证实，当光斑行蛇形路径进行冲击强化，得到的零件表面不再是各向同性。这一结论，可根据零件服役时所受到的疲劳载荷的方向对冲击路径进行优化，使疲劳寿命得到最大程度的提高。

表4 残余应力检测结果 单位： MPa

图7 预测值与实测值对比

图8 残余应力响应面轮廓图

2.3 显微硬度

硬度是材料的一个综合性能指标也是一个双重影响作用的参数，提高零件表面硬度有利于耐磨性和疲劳裂纹的萌生，但不利于裂纹的扩展，对零件的微动疲劳有重要影响。航空发动机叶片榫头/叶盘榫槽结构既要承受接触条件下的微动磨损又要承受动态疲劳载荷，其微动疲劳是重要的失效形式。因此研究冲击后硬度的改变和影响层的深度有显著意义[15-18]。

对冲击后和没有冲击的试件进行了深度方向的显微硬度的测量，如图9所示。与其他材料的研究结果不同，Ti17钛合金冲击强化后硬度有一定幅度的下降，C.Cellard, D.Retraint[9]对Ti17进行多次冲击强化后显微硬度没有明显提高，且最小值相比冲击前硬度有小幅度低降低。试件的显微硬度由显微组织和残余应力决定，试件残余应力检测结果为压应力，所以硬度的降低不是残余应力的作用。实验所用Ti17钛合金显微组织为混合组织，由等轴初生α相，片层状的次生α相和β相构成。Ti17合金是一种对应变率特别敏感的材料，变形程度是影响片状组织球化的主要因素[16-17]。激光冲击强化过程中应变率高，片层状的次生α相在冲击波的作用下发生球化形成等轴纳米晶，从而引起零件表层显微硬度的小幅度降低。学者李应红对网篮组织Ti17钛合金冲击强化后电子衍射观察结果表明，晶粒取向已成随机分布，完全等轴化[2]。随光斑密度和激光能量增大，冲击波压力增大，光斑覆盖率增大使得零件受到多次冲击的累积作用，材料表面位错密度增大，晶粒得到更高程度的细化，所以相比于用低光斑密度和激光能量强化的试件硬度得到一定的提高。零件背面的显微硬度分布规律与正面相似有所降低，冲击波穿透零件后没有完全消散，一部分进入夹具一部分反射后作用到零件的背面。

图9 显微硬度测量结果

3 结论

以厚度2 mm的Ti17钛合金薄板为冲击对象，开展搭接率和激光能量对冲击结果的影响，分析了试样三维光学轮廓、残余应力和显微硬度的分布，结论如下：

(1) 冲击波作用于零件在表面形成凹陷导致粗糙度值增加，且光斑密度则对其贡献较为显著。光斑密度12 cm-2时，零件各向异性特征显著，在零件表面形成车轮式衍射条纹，随光斑密度增大，零件被多次冲击的累积作用增强，衍射条纹逐渐消失。

(2) 2mm厚试件冲击后表面全部为压应力，回归分析显示光斑密度、激光能量及二者的相互作用都对残余应力都有明显作用。冲击后各向异性特征明显，竖直方向的残余应力始终大于水平方向，可为光斑路径优化提供依据。

(3)影响显微硬度的机理至少包含两个。 冲击波的作用引起片层状的次生α相形成等轴纳米晶，引起零件显微硬度降低。光斑密度和激光能量增加，零件位错密度增大可提高硬度。二者共同作用使得硬度在一定范围变化。零件反面与正面硬度分布规律相似，而内部与冲击前无显著差异，冲击波的反射作用需要进一步的研究。

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InvestigationofLaserShockPeeningontheSurfaceIntegrityofTi17Thin-WalledTitaniumAlloy

HUAI Yan-yan1,2, ZHAO Ji-bin2, QIAO Hong-chao2, ZHANG Hong-yao1,2

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110176，China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049，China)

Aiming at the application of laser shock processing on the aero-engine blades, the effects on surface integrity had been systematically investigated which provides important reference for engineering applications. Experimental of LSP has been conducted on the material of Ti17 titanium alloy with different pulse density and laser energy. Surface roughness, residual stress and micro-hardness had been measured. The surface roughness increased after treated and pulse density has greater effect. Compressive residual stress was evaluated quantity. The influence of each processing parameter was statistically evaluated using the analysis of variance (ANOVA) confirming a significant influence. The residual stress has difference between two directions provided a reference to optimize the pulse sequence advancing direction. The micro-hardness decreased due to parts of the secondary platelet α phase turned to equiaxed α phase.

laser optics; titanium alloy; LSP

TH142；TG178

A

1001-2265(2017)12-0073-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.018

2017-2-27；

2017-03-07

国家重大专项(U1608259)；国家自然科学基金(2015020115)

槐艳艳(1988—)，女，河北沧州人，中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院大学硕士研究生，研究方向为激光冲击强化方面的研究，(E-mail)studenthuai_3996@163.com。

(编辑李秀敏)