奥氏体不锈钢表面的激光冲击强化

段水旺，曾鹏*，崔文辉，梁亦佳，黄星朗

（广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006）

激光冲击强化(LSP)是近年来出现的一种新型表面处理技术，它通过激光诱导等离子体冲击波在材料表面引起塑性变形，残留较大的残余压应力，并且使表层形成高密度位错，细化晶粒甚至达到纳米级，从而显著提高材料的抗疲劳、耐磨损、抗应力腐蚀等性能[1-2]。奥氏体不锈钢的塑性好，但是强度较低，通常采取渗氮、表面镀覆、机械喷丸等方法强化其表面[3-4]。奥氏体不锈钢的马氏体转变温度Ms较低，在高能激光冲击作用下表面会产生一定量的塑性变形，并诱发马氏体相变，而且它本身的层错能较低，还会产生大量位错，从而产生一定程度的加工硬化效应[5]。本文采用不同功率密度的激光冲击奥氏体不锈钢表面，观察并分析其表面的组织结构和硬度，并对形变诱发的马氏体转变的体积分数进行定量分析，从而寻求强化奥氏体不锈钢表面的方法。

1 实验

1.1 材料

选用17mm×15mm×2mm的深入冷轧的304奥氏体不锈钢板材，其化学成分(质量分数)为：C0.080%，Mn0.920%，Si0.460%，P0.003%，S0.030%，Ni8.650%，Cr17.790%。试样在 1050°C 下固溶30min后水淬冷却，以获得较均匀稳定的奥氏体组织。

1.2 工艺方法

采用的激光冲击设备为武汉华工激光工程有限责任公司生产的LMY500多功能固体激光器，其波长为1064nm，脉冲宽度小于等于20ns，使用高重复率的掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)晶体材料，激光光斑直径为2mm。激光冲击前，对试样进行研磨抛光，并在表面覆盖50μm铝箔作为能量吸收层，以及一层厚度为2mm的K9玻璃作为冲击约束层，如图1所示。激光处理后，用丙酮清洗试样表面。如图2所示，以平行往复、层叠推进的行进方式来实施激光冲击，搭接率为50%，光斑移动速率恒定，以获得在试样厚度方向上均匀的冲击硬化层。影响激光功率密度的参数主要有光斑直径、脉冲电流、频率、激光脉宽、光斑移动速率、板料的力学性能、约束层和吸收层的厚度等。通过调整以上工艺参数来控制激光功率密度范围为1.0～4.5GW/cm2，在不同的功率密度条件下对304奥氏体不锈钢表面进行冲击。

图1 激光冲击材料表面的示意图Figure 1 Schematic diagram of laser shock peening on material surface

图2 激光冲击路线Figure 2 Route of the laser shock peening

1.3 测试方法

先用棉签将王水均匀涂抹在试样表面，腐蚀15s后用清水冲洗并吹干，然后用光学显微镜观察试样的表面微观形貌。采用日本理学D/MAX-Ultima型X射线衍射仪(XRD)测定不锈钢表面的物相，Cu靶，Kα1 射线，波长 0.154056nm，电压 40kV，电流 40mA，扫描速率 8°/min，步长 0.01°。采用 HV1000 型数字显微硬度仪测试试样表面经激光冲击后沿深度方向的硬度分布，通过多次测量取平均值，载荷25g，加载时间为 8s。

2 结果与讨论

2.1 激光功率密度对奥氏体不锈钢表面形貌的影响

未经过任何处理的304奥氏体不锈钢的组织中含有一定量的生长孪晶(见图3a)。采用2.5GW/cm2激光功率密度对304奥氏体不锈钢表面进行冲击后，冲击波导致奥氏体晶粒内部出现了较多数量的晶体滑移变形的痕迹，在晶粒内部出现了平行滑移带的特征，同时在应变形成的剪切带、剪切带的交汇处和孪晶界等处都是马氏体相变的优先形核地点，部分晶粒相变为马氏体(见图3b)。虽然在金相中对马氏体相的观测存在一定的难度，但根据文献[6]，可以认为黑色多边形块状组织为马氏体相。随激光功率密度增加，晶粒内部塑性变形也越严重，被4.0GW/cm2的激光冲击后，晶粒内部变形最明显(见图3c)，出现较多的密集排列的平行线，而且在500的放大倍率下可以清楚地看见图3c中白圈区域内大范围地出现了平行线条，且每个晶粒内部的线条方向并不一致(见图3d)。这是由于在激光冲击波的作用下，每个晶粒内部的位错在各自晶粒内的滑移系下进行滑移，因而形成滑移线，众多的滑移线形成了滑移带。高功率激光冲击致使材料表面产生了高速应变，缩短了材料冲击区塑性变形的时间，并导致晶粒内位错运动受阻，变形抗力增大，从而产生了表面的加工硬化效应。但当功率密度大于4.5GW/cm2时，在奥氏体不锈钢表面出现了一定的烧蚀现象。

图3 304奥氏体不锈钢经不同功率密度的激光冲击后的显微组织Figure 3 Microstructures of 304 austenitic stainless steel after being treated by laser shock peening at different power densities

2.2 激光冲击对奥氏体不锈钢组织的影响

从图 4可知，未经过激光冲击的试样以奥氏体相(A)居多，仅有少量受加工过程中的变形影响而产生的马氏体(M)。经过不同功率密度的激光冲击后，不锈钢中奥氏体峰强度逐渐减弱。当激光功率密度增至2.0GW/cm2时，出现了2个马氏体的衍射峰──M(200)和M(211)，表明此时开始了由奥氏体向马氏体的转变。这2个峰的相对强度随着激光功率密度的增大而增大，表明马氏体的体积分数随之增多。304奥氏体不锈钢在高于马氏体自发转变温度Ms，低于两相自由能平衡点温度T0的温度范围内，在激光冲击下发生表面塑性变形时，机械能将补偿部分马氏体转变所需要的形核驱动力，从而诱发马氏体组织的形成。在1.0～4.0GW/cm2范围内，激光功率密度越大，外加驱动力越大，塑性变形程度越大，马氏体转变量越大。

图4 不同功率密度下激光冲击强化304奥氏体不锈钢表面的XRD谱图Figure 4 XRD patterns of 304 austenitic stainless steel surface after laser shock peening at different power densities

2.3 激光冲击诱发马氏体的体积分数

由公式(1)可以计算出在自由取向晶粒中参与衍射各相晶面的综合衍射强度Ihkl[7-8]。然后通过直接比较法，由式(2)和式(3)确定马氏体相的体积分数VM。

其中iV是i相的体积分数，仪器系数K取决于X射线衍射仪的参数，每组试样的线性吸收系数μ根据试样具体条件来计算；为材料的散射系数，主要取决于角因数结构因数Fhkl、多重因数p、单位晶胞体积v和温度因数e−2M；n表示衍射峰的数量。以上数据可以通过查表[9]以及谱线精修拟合分别加权计算得到。

在用不同的激光功率密度处理304奥氏体不锈钢后，产生的马氏体的体积分数如图5所示。可见当激光功率密度从1.0GW/cm2增大到4.5GW/cm2时，马氏体的体积分数也快速增加。当激光功率密度为4.0～4.5GW/cm2之间时，马氏体的体积分数继续增加，但实际上奥氏体不锈钢表面已经出现一定的烧蚀现象，因此不再考虑继续增大功率密度。

2.4 激光冲击奥氏体不锈钢表面硬度的变化

从图6可知，当功率密度为4.0GW/cm2时，奥氏体不锈钢表面的显微硬度超过200HV，距离表面80μm处的冲击硬化层的硬度达180HV，其后逐渐缓降，激光冲击的影响区深达110μm以上(见图7)。激光冲击试样表面导致硬度升高，其主要原因是高速应变使表面发生剧烈的塑性变形，从而诱发马氏体相变和加工硬化，导致表层微观形貌和性能均发生了变化。另外，试样表面在激光冲击时可能会被熔化或者能量约束层被熔融在试样表面，导致试样的次表面硬度最高，这种变化沿着表层逐步向内部扩展。随着激光功率密度增大，位错、孪晶和塑性变形会增加，诱发形成的马氏体就增多，同时引起的加工硬化也更强。

图5 以不同功率密度的激光冲击304奥氏体不锈钢后表面诱发的马氏体的体积分数Figure 5 Volume fractions of martensite formed on the surface of 304 austenitic stainless steel after laser shock peening at different power densities

图6 以不同功率密度的激光冲击后304奥氏体不锈钢厚度方向的显微硬度分布Figure 6 Microhardness distribution along thickness direction for 304 austenitic stainless steel treated by laser shock peening at different power densities

图7 采用4.0 GW/cm2功率密度的激光冲击后304奥氏体不锈钢的截面形貌Figure 7 Cross-sectional micro-morphology of 304 stainless steel after laser shock peening at a power density of 4.0 GW/cm2

3 结论

用功率密度为1.0～4.5GW/cm2的激光冲击304奥氏体不锈钢表面时会产生一定程度的表面强化作用。4.0GW/cm2功率密度的激光冲击使奥氏体不锈钢基体的显微硬度从160HV提高到214HV，硬化层深度达到80μm。激光冲击作用不仅可以使奥氏体不锈钢晶粒内部出现塑性变形，产生加工硬化效应，而且可以诱发表面的马氏体转变。随激光功率密度增加，马氏体的含量增加，表面强化程度随之增强。