激光沖擊強(qiáng)化提高銅材料疲勞性能的研究

黃傳勇

（中國民航飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307）

銅由于具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨、耐腐蝕性能，在航空系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于制造導(dǎo)電、彈性及抗磨元件。由于其工作環(huán)境的特殊性，在使用過程中常常受到損壞，因此對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化處理研究至關(guān)重要。文獻(xiàn)［1］對(duì)2種航空鋁合金材料進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，分析結(jié)果顯示試件表面具有較大的殘余壓應(yīng)力，材料內(nèi)部有較高的位錯(cuò)密度，在中等加載強(qiáng)度下，試件的疲勞強(qiáng)度提高到2倍以上。文獻(xiàn)［2］探討了激光沖擊處理的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，研究了激光沖擊處理對(duì)鋁合金疲勞壽命的影響；研究結(jié)果表明，在優(yōu)選激光參數(shù)的條件下，激光沖擊處理能顯著地提高鋁合金的疲勞壽命。文獻(xiàn)［3］闡述了通過激光沖擊強(qiáng)化在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面引入殘余壓應(yīng)力，可以大幅度提高葉片的疲勞壽命。文獻(xiàn)［4］研究了激光沖擊強(qiáng)化在某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片強(qiáng)化中的應(yīng)用，總結(jié)了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)與傳統(tǒng)強(qiáng)化工藝相比所具有的優(yōu)勢(shì)；實(shí)驗(yàn)證明，沖擊強(qiáng)化用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片維修是可行的。文獻(xiàn)［5］研究了激光沖擊強(qiáng)化后的2組鎳基高溫合金（GH742）試樣，并與未強(qiáng)化處理的試樣進(jìn)行對(duì)比；結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化能提高鎳基高溫合金拉－拉疲勞壽命36倍以上，提高振動(dòng)疲勞壽命24倍，強(qiáng)化后殘余壓應(yīng)力影響層深度達(dá)10mm。文獻(xiàn)［6］重點(diǎn)說明了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)金屬顯微組織及其機(jī)械性能的影響，指出激光沖擊強(qiáng)化提高了材料表層的硬度、耐腐蝕性及疲勞強(qiáng)度，從而有效地改善了材料的綜合機(jī)械性能。文獻(xiàn)［7］研究了不同的約束層和激光脈沖功率密度對(duì)鋁合金疲勞壽命的影響，疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，約束層沖擊阻抗越大，激光脈沖功率密度越高，鋁合金激光沖擊處理后疲勞壽命的提高越顯著。文獻(xiàn)［8］首先研究了殘余應(yīng)力的作用，認(rèn)為激光沖擊強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力降低了零部件承受的平均應(yīng)力水平；然后利用位錯(cuò)理論分析了金屬經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化引起的顯微組織變化，認(rèn)為激光沖擊強(qiáng)化在材料表層產(chǎn)生了大量位錯(cuò)、晶界以及亞晶界等缺陷，這些缺陷阻礙了位錯(cuò)的移動(dòng)，使金屬得到強(qiáng)化。可以看出，國內(nèi)外采用激光沖擊進(jìn)行損傷愈合主要集中在宏觀大試件上，而對(duì)于微試件的研究還比較少。

為了研究激光沖擊強(qiáng)化提高銅材料疲勞性能的方法，本文運(yùn)用激光沖擊處理對(duì)疲勞損傷程度為0.5的銅薄膜試件進(jìn)行表面處理，探求激光沖擊處理的最佳激光參數(shù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 選用材料

實(shí)驗(yàn)材料選用0.025mm的工業(yè)用純銅T2，化學(xué)成分、力學(xué)性能如下：w（Cu＋Ag）＝99.95%，w（Sn）＝0.006%，w（Pb）＝0.003%，w（P）＝0.007%，w（Zn）＝0.005，抗拉強(qiáng)度為385MPa，延伸率為6%，采用軋制方法。

1.2 試件制備

加工試件采用化學(xué)腐蝕制作工藝，試樣形狀和尺寸如圖1所示，試件厚度為25μm。

圖1 銅薄膜試件形狀及尺寸

1.3 σ－N 曲線

在室溫條件下，對(duì)原始銅薄膜試件進(jìn)行脈動(dòng)循環(huán)加載疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比R＝0，載荷頻率為20Hz，得到銅薄膜的σ－N 曲線，如圖2所示。

圖2 銅薄膜的σ－N 曲線

疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)及壽命見表1所列。

表1 疲勞試驗(yàn)加載參數(shù)及壽命

圖2中的實(shí)線為擬合數(shù)據(jù)得到的曲線。根據(jù)應(yīng)力壽命公式，有

其中，σ為應(yīng)力；N為疲勞壽命；C和m 均為材料常數(shù)。

將（1）式作適當(dāng)?shù)牡葍r(jià)變形，可以得到新的σ－N 關(guān)系式，即

其中，C′和m′為新的材料常數(shù)。

根據(jù)（2）式，擬合的σ－N 方程如下：

1.4 激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)

激光具有可控性好及可選擇性局部處理等優(yōu)點(diǎn)，采用激光工藝對(duì)構(gòu)件表面局部強(qiáng)化，提高其疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命，是一種非常簡(jiǎn)便的方法。激光工藝參數(shù)有很多種，對(duì)于工藝參數(shù)的選擇沒有規(guī)范可依，通過試驗(yàn)對(duì)比進(jìn)行選擇是一種較好的方法。

對(duì)損傷程度為0.5的銅薄膜試件，在不同激光參數(shù)下進(jìn)行沖擊處理，對(duì)處理后的試件在脈動(dòng)循環(huán)加載，應(yīng)力比R＝0，載荷頻率為20Hz的相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到不同能量密度與脈沖個(gè)數(shù)下銅薄膜試件的剩余壽命，見表2所列。

表2 不同能量密度與脈沖個(gè)數(shù)下的剩余壽命

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 脈沖個(gè)數(shù)對(duì)疲勞性能的影響

在5種脈沖個(gè)數(shù)下研究其對(duì)疲勞性能的影響。相對(duì)于原始試件的剩余壽命Nr＝6684周，運(yùn)用GaussAmp公式進(jìn)行非線性擬合，得到不同脈沖個(gè)數(shù)下的能量密度E與剩余壽命的關(guān)系，如圖3所示。可以看出，在不同的脈沖個(gè)數(shù)下，剩余壽命隨著能量密度的增加先增加后減小，在能量密度為5×103J／m2時(shí)剩余壽命最大。相對(duì)于原始試件的剩余壽命，試驗(yàn)中的25個(gè)點(diǎn)有12個(gè)在其之上，修復(fù)率為48%。

在能量密度為5×103J／m2時(shí)，5個(gè)試件均可以修復(fù)，修復(fù)率為100%。在較低能量密度和較高能量密度的條件下，試件的修復(fù)率均不理想，可見合理選擇能量密度對(duì)于試件的修復(fù)有重要意義。

圖3 不同脈沖個(gè)數(shù)下的修復(fù)效果圖

2.2 能量密度對(duì)疲勞性能的影響

在5種能量密度下研究其對(duì)疲勞性能的影響，相對(duì)于原始試件的剩余壽命，運(yùn)用GaussAmp公式進(jìn)行非線性擬合，得到不同能量密度下的脈沖個(gè)數(shù)與剩余壽命的關(guān)系圖，如圖4所示。可以看出，在不同的能量密度下，剩余壽命隨著脈沖個(gè)數(shù)的增加先增加后減小，在脈沖個(gè)數(shù)為30時(shí)剩余壽命最大。

圖4 不同能量密度下修復(fù)效果圖

相對(duì)于原始試件的剩余壽命，試驗(yàn)中的25個(gè)點(diǎn)有12個(gè)在其之上，修復(fù)率為48%。在脈沖個(gè)數(shù)為30時(shí)5個(gè)試件均可以修復(fù)，修復(fù)率為100%。在較低脈沖個(gè)數(shù)和較高脈沖個(gè)數(shù)的條件下，試件的修復(fù)率均不理想，可見合理選擇脈沖個(gè)數(shù)對(duì)于試件的修復(fù)具有重要意義。

2.3 修復(fù)效果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制修復(fù)效果三維表面圖，如圖5所示。

圖5 修復(fù)效果三維表面圖

對(duì)于損傷程度為0.5的銅薄膜試件，能量密度在5×103J／m2時(shí)修復(fù)效果最佳，脈沖個(gè)數(shù)為30時(shí)修復(fù)效果最佳。不同能量密度與不同脈沖個(gè)數(shù)的組合具有不同的修復(fù)效果，合理選擇激光參數(shù)可以達(dá)到修復(fù)損傷的目的。當(dāng)激光束輻照到金屬材料表面時(shí)，金屬表層材料開始吸收激光能量，在吸收過程中產(chǎn)生等離子體。隨著激光輻照的持續(xù)，等離子體層厚度、密度及溫度都在不斷上升，等離子體區(qū)達(dá)到比無約束條件下更高的壓力。等離子體層噴射爆炸形成沖擊波，傳向金屬材料表面。因此，金屬表面受到比無約束條件下高得多的壓力和更長(zhǎng)的沖擊持續(xù)時(shí)間。當(dāng)沖擊強(qiáng)度超過其動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，在金屬表面形成一個(gè)塑性變形層。在沖擊波造成的塑性層中存在著殘余壓應(yīng)力，其位錯(cuò)密度顯著增高。由于殘余壓應(yīng)力在疲勞載荷中起著負(fù)平均應(yīng)力的作用，延緩了疲勞裂紋的萌生。位錯(cuò)密度增高使材料屈服強(qiáng)度提高，并阻礙了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而增大了裂紋產(chǎn)生的阻力。正是殘余壓應(yīng)力、高密度位錯(cuò)因素的綜合作用延長(zhǎng)了材料的抗疲勞壽命。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)國內(nèi)外主要采用激光沖擊對(duì)宏觀大試件進(jìn)行損傷愈合，而對(duì)微觀小試件的損傷愈合的研究較少的情況，研究運(yùn)用激光沖擊處理對(duì)疲勞損傷程度為0.5的銅薄膜試件進(jìn)行表面處理來提高其疲勞性能的方法。得到損傷程度為0.5的銅薄膜試件，激光強(qiáng)化處理的最佳能量密度為5×103J／m2，最佳脈沖個(gè)數(shù)為30，顯著地提高了銅薄膜的疲勞性能。對(duì)于其他損傷程度下銅薄膜試件的最佳修復(fù)參數(shù)和不同損傷程度下銅薄膜試件的最佳修復(fù)參數(shù)有何種共同規(guī)律，還有待于進(jìn)一步研究。

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