激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高

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1、激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高汪诚;赖志林;安志斌;何卫锋;周留成 【摘要】对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验，比较了激光冲击强化前 后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后，修复 区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力产生了 449 MPa的残余压应力，在基体残留的压应力高达672 MPa ；激光冲击强化后,修复区 硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后，在TC4材料表面形 成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验，结果表明:激光冲击强 化提高熔覆后钛合金疲劳强度达1

2、5.8%.经分析，冲击后细化晶粒和残余压应力对高 周疲劳性能的提高起到了关键作用.【期刊名称】江苏大学学报(自然科学版) 【年(卷)，期】2013(034)003 【总页数】4页(P331-334) 【关键词】TC4钛合金;激光冲击强化;激光熔覆;高周疲劳性能;残余应力;纳米晶层 【作者】汪诚;赖志林;安志斌;何卫锋;周留成【作者单位】空军工程大学等离子体动力学重点实验室，陕西西安710038;空军工 程大学等离子体动力学重点实验室，陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力 学重点实验室，陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室，陕西西 安710038;空军工程大学等离

3、子体动力学重点实验室，陕西西安710038 【正文语种】中文【中图分类】TG665TC4钛合金由于具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等特点，广泛应用于航空发 动机风扇、涡轮等重要部件.在使用过程中，由于应力腐蚀开裂和疲劳的原因1, 造成有部分航空发动机的部件达不到设计使用时限.如何对产生裂纹后的钛合金部 件进行修复和强化，提高钛合金构件的疲劳强度，延长其服役寿命，提高其工作可 靠性，已受到人们的关注.激光熔覆技术可对金属损坏部件进行高质量修复，与工 业中常用的堆焊、氩弧焊和等离子喷焊等相比，具有热影响区小、工件变形小、熔 覆区硬度高等优点2 .因此，通过在材料表面形成保护层来提高材料的抗磨损、

4、抗腐蚀性能，从而提高部件的可靠使用时间，现在激光熔覆技术已经在燃气轮机叶 片和阀门座的修复中得到应用3 .但激光熔覆可能产生结合力不足的拉应力层， 以及高密度激光束弓I起的重熔会影响金属结构性能和疲劳性能.激光冲击强化(LSP)是一种新的表面处理工艺.通过高能量密度短脉冲(纳秒数量级) 激光束产生的高强度冲击波引起材料表面改性，能够产生数百MPa的残余压应力， 大幅提高材料的表面硬度、强度和疲劳性能4.国内对激光冲击强化用于提高材 料焊接接头性能进行了很多研究5 .许海鹰等6用脉宽30 ns、能量40 J的 调Q掺钕玻璃激光对TC4钛合金钨极惰性气体(TIG)焊焊缝进行了激光冲击强化处 理，处

5、理后焊接区域表面硬度增加，热影响区晶粒得到细化研究表明7,与传 统表面处理工艺相比，激光冲击强化在表面下产生的纳米组织和残余应力使得金属 具有较高热稳定性.对于发动机涡轮叶片等高温部件，热稳定性至关重要，而钛合金常用作涡轮叶片. 为此，本研究主要进行激光冲击强化提高熔覆后钛合金的高周疲劳性能和抗应力腐 蚀开裂性能的研究.1材料与方法材料为TC4钛合金试样.TC4为中等强度的a+B型两相钛合金.TC4化学成分如 下:w(Al) = 5.500%6.800% , w(V) = 3.500%4.500% /w(Fe)0.300%/ w(C)0.100%,w(N)0.050%,w(H)0.015%,

6、w(O)0.200%, w(Ti)其 余TC4熔覆工件规格140 mmx28 mm,厚度25 mm，处理区域60 mmx28 mm，如图1所示.激光熔覆所用的试验装置由RS- 850型5 kW的CO2连续激光器、LPM - 408 四轴联动工作台、JPSF - 2型送粉器、送粉嘴和辅助装置组成，载粉气体和激光熔 池保护气体为氩气.粉末为TC4钛合金粉末，微粒为60 120 pm球体.熔覆参数 如下:激光能量2400 W，扫描速度为8 mms-1,光斑直径为2.5 mm，送粉速 度为5 g-min- 1，重复率为30%.图1试件及凹槽处理区域激光冲击强化试验在本单位开发的激光冲击强化系统YLSS

7、 - 05A 上完成.整套系统 由SGH- 60型高功率调Q脉冲Nd:YAG激光器、五自由度工件夹持运动平台、 水约束系统和控制与监控系统4部分组成.激光器参数:激光波长为532 nm,激光 能量为6 J,功率密度为4 GW-cm- 2，脉宽为10 ns，光斑搭接率为70%，水约 束层厚度为2 mm，吸收保护层为0.1 mm的铝箔.对基体、热影响区和修复区进 行激光冲击强化，强化区域如图2所示.图2激光强化区域和残余应力测试点示意图2结果及分析2.1显微硬度使用HVS - 1000型显微硬度计，采用静态压痕法，加载重量为500 g，加载时间 为10 s,每个区域测量5个点，取平均值.显微硬度测

8、试结果如表1所示.表1两种工艺处理后焊接件硬度比较工艺区域硬度/HV熔覆基体34821修复区33315热影响区31518熔覆+激光冲击强化基体39717修复区38114 热影响区37023硬度反映了不同区域不同晶相组织和性能.与未进行激光冲击强化的修复件相比， 激光熔覆+激光冲击强化处理过的试样基体、修复区和热影响区硬度都得到提高.根 据Rabinowicz磨损定律8 :式中:W是每单位滑行距离的磨损体积;P是实际载荷;H是磨损表面的硬度;K是磨 损系数.可见，硬度增加时，摩擦系数峰值减小，硬度的增加能够提高材料抗磨损 性能.2.2残余应力采用X - 350A X射线应力测定仪，试验执行GB

9、770487X射线应力测定方法 的规定，测量方法为侧倾固定W法，定峰方法为交相关法，Cr-Ka辐射.在基体、 热影响区、修复区按比例各选5个测试点进行测量，取平均值.测试点和区域示意 图如图2所示，测量方向为轴向残余应力测试结果见表2.表2两种工艺处理后焊接件残余应力工艺区域残余应力/MPa激光熔覆基体- 11.512.4修复区224.715.3热影响区28.415.8激光熔覆+激光冲击强化基体 -671.813.6 修复区-448.911.5 热影响区-659.417.7由表2可知:激光冲击强化后在材料表面产生了残余压应力，基体的残余应力由-11.5 MPa增加到-671.8 MPa.激光冲

10、击强化后修复区和热影响区的残余应力分别 为-448.9 MPa和-659.4 MPa，而强化前的残余应力分别为224.7 MPa和28.4 MPa，为拉应力.其他研究者的结果也证实了激光熔覆会产生残余拉应力3 .这是由于熔覆时凝固收缩弓I起的.对于多层结构，由热梯度下降和塑性流动 对残余应力的解除作用减弱，从而在材料表面形成较高残余应力.材料表面残余压应力对材料抗疲劳强度有显著影响.残余应力在疲劳载荷中起着平 衡应力的等效作用，残余压应力相当于负的平均残余应力，能提高工件抗疲劳强度;残余拉应力则会降低工件抗疲劳强度.残余压应力高，工件抗疲劳性能强.另一方面， 残余压应力能使部件实际承受的裂纹尖

11、端应力强度因子幅值庭下降，从而降低裂 纹扩展速率，提高部件的疲劳裂纹扩展抗力9.激光冲击强化处理熔覆工件，消 除了熔覆产生的残余拉应力，在材料表面形成了残余压应力，从而提高材料的抗疲 劳性能.2.3组织形态激光熔覆试样横截面显微组织如图3所示.图3横截面显微组织激光冲击强化前后试样组织结构和选区电子衍射如图4所示.透射电子显微镜(TEM) 分析显示：3次激光冲击强化后，形成纳米级晶粒层(v100 nm).由图4b中的选区 电子衍射图可知:选区纳米级晶粒的角度较大.在部分激光冲击强化区域晶粒尺寸由 冲击前几pm减小到冲击后20 nm.图4激光冲击强化前后组织结构2.4拉伸性能拉伸试验使用WDW

12、-100万能试验机，参照GB/T 2282002金属材料室温 拉伸试验方法，在室温下进行试验，拉伸速度为0.1 mm-min- 1.不同试样的拉 伸性能试验强度如表3所示.由表3可知:激光熔覆+激光冲击强化试样的拉伸性能 较好.表3 TC4钛合金不同处理方式下的拉伸强度MPa2.5高周疲劳性能疲劳强度是表征材料与结构疲劳性能的重要参量之一.取两种状态试件各20件，参 照HB 52871996金属材料轴向加载疲劳试验方法，在MTS880试验机上 进行高周疲劳试验.应力比R=0.1,加载频率为100 Hz,温度为25C.试验数据分 析和处理参照HB/Z 11286材料疲劳试验统计分析方法进行，根据

13、试验应 力和对数循环次数在图上作点，绘制S-N曲线(见图5).由图5可知:激光冲击强化 处理熔覆试件后，疲劳强度由285 MPa增加到330 MPa，提高钛合金熔覆试件 疲劳强度为15.8%.图5 TC4钛合金疲劳性能根据Tao N.R.等研究结果10 ,纳米级晶粒使材料表层界面体积分数大大提高， 表面能增加，有利于部件疲劳寿命提高.S.Suresh研究11 表明，残余压应力和 表面加工硬化层的提高，对部件疲劳强度的提高有重要作用.激光冲击强化在材料 表层产生纳米级的细化晶粒、数值高的残余压应力和较高的硬度，是部件疲劳性能 提高的本质原因.3结论1) 激光熔覆+激光冲击强化的复合修复技术，是提

14、高TC4钛合金高周疲劳性能的高 效的表面修复工艺.激光冲击强化处理后的TC4钛合金激光熔覆试件，疲劳强度提 高了 15.8%.2) 激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金疲劳性能的提高，是冲击形成的残余压应力 和纳米晶层共同作用的结果.参考文献(References)【相关文献】1 张永康，周立春，任旭东，等.激光冲击TC4残余应力场的试验及有限元分析J.江苏大学 学报:自然科学版，2009 , 30(1):10 - 13.Zhang Yongkang , Zhou Lichun , Ren Xudong , et al.Experiment and finite element analysis

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16、ostructures of the laser clad coating repairing cast defect in aeroengine blade J .Heat Treatment of Metals , 2007 , 32(5):21 -24.(in Chinese)4马壮.航空发动机部件激光冲击强化应用基础研究D .西安:空军工程大学工程学院，2008.5 Wang C , Zhou L C , He Q , et al.Experiment research on improving the fatigue life of 12Cr2Ni4A welding joints

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