激光冲击城轨铝合金车体的热稳定性研究

黄晶晶

(江苏联合职业技术学院苏州建设交通分院 江苏 苏州 215104)

0 前言

车体是城轨列车的主要组成部分， 运行时车体承受着各方向的随机载荷， 紧急情况时车体抵御各种复杂情况， 其刚度、 强度、 耐高温等性能直接影响行车和乘客的生命安全。 随着城轨列车的轻量化发展趋势， 铝合金材料由于低密度、 高塑性的优良特点而被广泛应用。 同时铝合金作为车体既能够满足车体所需的刚度和强度，又能够达到轻量化的目的。 铝合金车体的耐高温性能是城轨安全性能的重要指标， 所以研究铝合金车体材料的热稳定性势在必行。

目前城轨车辆所用铝合金主要集中在5000系、6000系和7000系，其中，又以6000系的6063、6061、6082等使用最为广泛。本文主要研究铝合金6000系中6061-T651铝合金在高温下的力学性能、抗腐蚀性能、疲劳性能以及热稳定性能等，从而获得激光冲击下的最佳城轨铝合金车体。

1 试验材料和方法

1.1 6061-T651铝合金

6061-T651铝合金属于A1-Mg-Si系，是一类可热处理强化的中高强度铝合金，主要构成组织为α-Al和Mg2Si[1]。6061-T651铝合金的主要化学成分如表1所示。6061-T651铝合金具有良好的加工性能、焊接性能和较好的抗腐蚀性能。

表1 6061-T651铝合金化学成分 /%

1.2 激光冲击强化

激光冲击强化技术是一种表面改性技术[2]。它主要利用高功率激光在材料表面产生的高压冲击波，使材料表面产生较高的位错或者纳米晶体，从而改变材料的力学性能。激光冲击铝合金材料的路径如图1所示。激光冲击的材料表面，为防止被激光灼烧，会覆盖有吸收层和约束层。吸收层吸收激光的能量，并瞬间气化成高温高压的等离子体。等离子体在吸收层和约束层之间膨胀，加大了材料表面的冲击加载，从而产生了作用于材料表面的强冲击波，使表面发生变形。

图1 激光冲击铝合金材料的路径

本文通过12 J的激光冲击能量冲击6061-T651铝合金材料表面，期望获得6061-T651铝合金改性的最佳值，从而解析常规6061-T651铝合金和经过激光冲击的6061-T651铝合金在高温状态下的材料稳定性能。激光冲击处理工艺参数如表2所示。

表2 激光冲击处理工艺参数

1.3 热处理

6061-T651铝合金可以通过热处理的方式获得强化。合适的温度可以增强6061-T651铝合金的抗拉强度、硬度、冲击韧性和抗疲劳性能等。热处理是将不均匀、不稳定或过饱和的组织经过时效析出成稳定的结构，将内部过多或杂乱的位错恢复成稳定的位错网络[3]。本文将常规6061-T651铝合金和经过激光冲击的6061-T651铝合金试样放入热处理炉内，温度控制在200 ℃、300 ℃、400 ℃和500 ℃，结束后保温0.5 h，出炉空冷1 h。

2 结果与分析

2.1 表面形貌分析

常规6061-T651铝合金和经过激光冲击的6061-T651铝合金的二维形貌如图2所示。二维形貌是以形貌图峰和谷的变化表示的。从图中可以看出常规6061-T651铝合金的微观表面峰谷变化不大，主要集中在-0.25 μm～+0.25 μm，相对平滑；而经过激光冲击的6061-T651铝合金，由于表面宏观上已经产生了塑性变形，所以微观上的峰和谷变化较大(-5 μm～+8 μm)。材料表面的形貌变化主要是由于激光光斑内部不均匀分布的能量产生不均匀的冲击波，所以表面产生了高低不平的峰和谷[4]。

图2 6061-T651铝合金的二维形貌

图3可见随着温度的不断升高，常规6061-T651铝合金表面形貌的峰和谷的差值在变大，主要集中在-0.5 μm～+2 μm；经过激光冲击的6061-T651铝合金表面形貌的峰和谷的差值也在变大，主要集中在-6 μm～+8 μm。经过比较发现，随着温度的变化，常规6061-T651铝合金和经过激光冲击的6061-T651铝合金的二维形貌并没有太大变化，依然是常规6061-T651铝合金表面较为平滑，而经过激光冲击的6061-T651铝合金表面则呈现较大的凹坑。主要原因是高温条件下6061-T651铝合金表面形成了氧化膜，氧化膜保护了材料表面的微观组织[5]，内部应力并没有得到完全释放，所以表面形貌的峰和谷变化不大。

图3 6061-T651铝合金在不同温度下的二维形貌

2.2 微观硬度变化

图4呈现的是6061-T651铝合金在不同温度下的显微硬度。6061-T651铝合金的显微硬度变化趋势呈现U形，在300 ℃左右微观硬度处于最低值。常规6061-T651铝合金常温下的微观硬度为154.7 HV。随着温度的不断升高，微观硬度呈现下降的趋势。当温度上升到300 ℃时，显微硬度到达最低值104.5 HV。而后随着温度升高，微观硬度提高。当温度升到500 ℃时，显微硬度则恢复到160.2 HV。随着温度的变化，经过激光冲击后的6061-T651铝合金微观硬度的变化趋势和常规6061-T651铝合金保持一致。经过激光冲击后的6061-T651铝合金常温下的微观硬度显示220.3 HV，在300 ℃时出现显微硬度最低值141.5 HV，在500 ℃时则恢复到230.1 HV。由图4可知，相对于常规6061-T651铝合金，经过激光冲击后的6061-T651铝合金显微硬度明显提升，并且显微硬度随着温度的升高呈现出先下降再上升的趋势；经过激光冲击的6061-T651铝合金在500 ℃的高温条件下微观硬度仍然有大幅提高，说明激光冲击强化的效果十分显著。

图4 不同温度下的6061-T651铝合金微观硬度

根据Hall-Petch公式[6]：

Hν=Hν0+KHvd-1/2

(1)

式中：Hν0和KHν为常数，由材料来决定；d为晶粒大小，Hν是材料的硬度；可知晶粒尺寸的大小和材料的微观硬度成反相关。所以常温下激光冲击处理后的试样硬度较高主要归功于细晶强化和位错强化。

根据Orowan公式[7]：

(2)

式中：σ为切应力，G为切变模量，b为柏氏矢量，L为间距，φ为法线和轴心拉力的夹角。可知温度的变化带来材料内部析出相的尺寸变化，而析出相的尺寸和间距成反相关，这导致了6061-T651铝合金随着温度的升高出现微观硬度先减小再增大的现象。

2.3 热稳定性能

6061-T651铝合金主要由Al、Mg2Si和其他杂质组成。图5是激光冲击前后6061-T651铝合金的扫描电镜图，白色部分是Al基体，黑色线条是晶界，黑色颗粒是析出相，可以看出图5(b)的晶粒尺寸明显小于图5(a)，说明经过激光冲击的6061-T651铝合金表层发生了晶粒细化现象。图6呈现的是激光冲击后6061-T651铝合金深度方向的扫描电镜微观形貌。从图6中可以看出，沿深度方向的基体组织从致密到稀疏，说明激光冲击处理可以细化6061-T651铝合金材料表面组织。这主要是由于激光冲击6061-T651铝合金表面，高能量的冲击波使材料表面发生塑性变形，材料内部晶体也发生塑性变形，晶体内部位错增多。当位错不断集聚形成位错胞，在激光的持续冲击作用下形成位错墙，从而演变成晶界，最终得到了细化的晶粒[7]。

图5 激光冲击前后6061-T651铝合金的微观形貌

图6 激光冲击后6061-T651铝合金深度方向的扫描电镜图

图7是激光冲击后6061-T651铝合金从室温到500 ℃的透射电镜微观组织。图7(a)是常温下6061-T651铝合金的微观组织，可见常温下经过激光冲击的6061-T651铝合金所形成的晶粒大小约为50 nm。图7(b)呈现的是100 ℃下6061-T651铝合金的微观组织，平均晶粒大小是100 nm左右，且内部呈现明暗不同的衬度变化，这主要是由于晶粒内部的残余应力分布不均。在200 ℃的退火温度下，晶粒的平均大小约为100 nm～150 nm。而在300 ℃和400 ℃的温度下，晶粒则增大到200 nm～500 nm。可见随着温度的上升，晶粒尺寸也在逐渐增大。当温度上升到500 ℃时，图7(f)中可见明显清晰的晶界，且晶界周围附着高密度的位错，晶粒尺寸则在2 000 nm～5 000 nm不等。所以当温度在400 ℃以下时，晶粒尺寸在稳定增长；而当温度上升到500 ℃时，晶粒则失去稳定状态，晶粒尺寸急剧增长。这主要是由于当温度处于500 ℃之前，温度上涨带来的热驱动力主要用于降低晶粒内部的位错密度，使内部结构进行动态回复。而当温度超过500 ℃时，整体吸收的热驱动力已经满足了晶界迁移的激活能，晶界的数量会明显变少，晶界的钉扎阻碍作用也不明显[8]，所以晶粒会急剧增长。

图7 不同温度下的6061-T651铝合金的透射电镜图

激光冲击强化是一种高能量的表面强化技术。材料表面受到冲击后宏观上产生塑性变形，微观组织上产生众多的位错和细化后晶粒。位错积聚在晶粒的晶界处，形成位错分布不均的状态。晶粒生长理论Gibbs Thomson公式[9]体现了晶粒生长驱动力和晶粒尺寸的关系。

Δμ=4Ωγ/d

(3)

式中：Δμ为晶粒生长驱动力，Ω为原子体积，γ为界面能，d为晶粒尺寸。根据晶粒生长理论，晶粒尺寸越小，晶粒生长驱动力越大，所以激光冲击后6061-T651铝合金在500 ℃之前表现了良好的热稳定性。金属铝常温下层错能较大，自扩散能较小，这导致了铝合金在高温下容易发生位错的滑移，内部发生结构的动态回复[10]，产生位错的湮灭，降低位错密度。当温度上升的热能高于晶粒生长驱动力时，内部的晶界不断地移动，析出相逐渐长大[11]，直至钉扎住移动的晶界，形成长大的晶粒。

3 结论

通过研究6061-T651铝合金表层的表面形貌、微观硬度和晶粒尺寸的变化来表征热稳定性能的变化。结果显示通过激光冲击强化技术可以获得6061-T651铝合金表层的纳米晶粒，常温下表层纳米晶的尺寸主要集中在50～100 nm；同时由激光冲击强化技术引起的表层高密度位错可以阻止晶粒的长大，细化晶粒。当退火温度在500 ℃之下时，纳米晶粒的尺寸依然处于稳步增长状态；而当退火温度超过500 ℃时，晶粒急剧长大，失去控制。这主要是由于激光冲击获得的纳米晶生长需要极大的激活能，为6061-T651铝合金的热稳定性能创造了条件。激光冲击强化技术处理后的6061-T651铝合金拥有更良好的热稳定性能，这归功于激光冲击过程中的晶粒再结晶，析出相和位错的分布不均。

4 结束语

铝合金车体正广泛应用于我国轨道交通行业，车体结构的强度、硬度、抗疲劳性能以及车体的稳定性能都至关重要。通过研究激光冲击处理对铝合金车体的热稳定性能，建议铝合金车体在制造过程中温度要控制在最佳热稳定温度，从而获得比较良好的结构强度和硬度等性能。激光冲击处理在保持铝合金车体轻量化的同时，也展现了在提高铝合金车体各方面性能的可能性。如果采用激光强化后的6061-T651铝合金挤压成型工艺，可以相对减轻车体重量，提高构件的刚度，材料的承载能力可以得到充分的发挥。激光冲击强化后的6061-T651铝合金车体对整个车辆的结构、性能、制造、使用、维修以及经济性等将产生深远的影响。