表面激光沖擊強化對鈦合金超高周彎曲疲勞性能的影響

馮璐璐，李全通，尹志朋，高星偉

（空軍工程大學航空航天工程學院，西安710038）

0 引 言

鈦合金具有良好的耐腐蝕性、焊接性和韌性，被廣泛用于制造航空發動機壓氣機葉片、輪盤、機匣和燃燒室外殼等重要零件。發動機轉子葉片的主要失效形式是彎曲振動疲勞失效［1］。發動機在運行過程中，氣動激振頻率范圍大，造成葉片發生包括高頻在內的共振和受迫振動，主要以超高周疲勞振動為主，振動周次在107～109，甚至更高，直接影響著發動機的可靠性和工作壽命。在彎曲振動中，一階彎曲振動在葉片根部產生的振動應力最大，其破壞性也最大［2］。因此，對發動機葉片的超高周彎曲振動疲勞破壞的研究越來越受到重視。

鈦合金材料的疲勞裂紋往往是從表面萌生的，尤其是在應力集中部位［3］。激光沖擊強化是一種新興的現代表面強化處理方法，可以用來提高鈦合金的表面強度，改善其疲勞性能，延長疲勞壽命。它是利用高功率脈沖激光輻照金屬表面時產生的高壓等離子體沖擊波的力效應使材料表層顯微組織發生變化，并在較深的厚度范圍內存在殘余壓應力。材料經過表面激光沖擊強化處理后，其內部應力分布隨之發生改變，抗彎曲振動疲勞破壞的能力有所提高。針對激光沖擊強化對合金應力分布與疲勞壽命影響問題，作者在工作應力與殘余應力疊加模型的基礎上，分析了TC17鈦合金疲勞源位置與裂紋的阻滯作用；通過激光沖擊強化處理前后鈦合金超高周彎曲疲勞試驗的對比研究，分析了激光沖擊強化處理對TC17鈦合金超高周彎曲疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料選取經退火處理的TC17鈦合金，其化學成分見表1，屈服強度1 030MPa，抗拉強度1 120MPa，彈性模量111.5GPa，密度4 640kg·m-3。

表1 TC17鈦合金化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of TC17titanium alloy（mass） %

根據超聲疲勞振動原理以及試驗材料的特性，基于線彈性變形的理論，結合三點彎曲疲勞試樣的設計方法［4］，制備兩組（共50個）非對稱超高周彎曲疲勞試樣，尺寸如圖1所示，用金相砂紙研磨拋光試樣，使其表面粗糙度Ra達到0.32～0.64μm，諧振頻率為20kHz［5］。

圖1 超高周彎曲疲勞試樣尺寸Fig.1 Size of ultra-high cycle bending fatigue specimen

對其中一組試樣的上下表面進行激光沖擊強化處理，激光沖擊強化試驗是在激光沖擊強化系統上進行的，系統中激光器選用SGR-25高能Nd∶YAG激光器。沖擊強化的主要參數如表2所示。

表2 激光沖擊強化的主要工藝參數Tab.2 Main parameters of laser shock processing

1.2 試驗方法

超高周彎曲疲勞試驗系統如圖2所示，超聲發生器將50Hz的交流電信號轉化為20kHz的電信號；電信號再通過超聲換能器轉化為20kHz的沿軸向的機械振動；通過位移放大器將振幅放大后，加載到試樣的固定端，從而促使試樣根部振動，使試樣產生彎曲振動；通過調整激振頻率，使試樣發生一階對稱彎曲諧振。當試樣發生斷裂時，系統自動停止試驗，由計算機控制系統記錄試驗過程中設定的應力幅值和發生斷裂時試樣的循環次數。在試驗中，采用空氣冷卻設備對試樣表面進行冷卻。

圖2 超高周彎曲疲勞試驗系統Fig.2 Ultra-high cycles bending fatigue test system

利用超高周彎曲疲勞試驗系統，在20kHz頻率下，對激光沖擊強化前后的鈦合金試樣進行超高周彎曲疲勞試驗，應力水平600～800MPa，每個應力水平下取5個試樣進行測試。應力比R為-1，加載波形為正弦波，試驗溫度為室溫（23℃）。根據超高周彎曲疲勞試驗結果擬合得到試樣的S-N曲線。

殘余應力的測試在Proto-LXRD型X射線衍射儀上進行，用JSM-5900Lv型掃描電鏡觀察疲勞試樣斷口宏觀和微觀形貌，確定疲勞裂紋萌生位置、裂紋源區和裂紋擴展區形貌特征。

2 試驗結果與討論

2.1 S-N 曲線

從圖3可見，在雙對數坐標系中，激光沖擊強化前鈦合金的S-N曲線呈線性，可用Basquin方程式描述：

式中：S 為應力幅值，S′為疲勞強度系數；b為Basquin指數；Nf為循環周次。

lgNf＝66.5471-20.636 3lgS （2）

圖3 激光沖擊強化處理前后鈦合金的S-N曲線Fig.3 The S-Ncurves of specimens before and after laser shock processing

從而得到激光沖擊強化前鈦合金S-N曲線的Basquin方程式為：

由圖3還可以看出，在650MPa應力水平下，激光沖擊強化處理前試樣的疲勞循環周次為1.05×109次，而處理后試樣的疲勞循環周次達到2.36×109次，可以看出，強化后試樣的疲勞壽命較強化前提高了一倍，所以，隨著應力幅值的下降，疲勞壽命在不斷延長。由S-N曲線還可以看出，當循環周次大于107次時，沒有明顯的水平漸近線，循環周次在107～1010次之間試樣仍會發生疲勞斷裂。

用同樣的方法擬合得到激光強化處理后鈦合金超高周彎曲疲勞的S-N曲線方程如下：

lgNf＝78.519 2-24.672 8lgS （4）

其Basquin方程式為：

由圖3可以看出，鈦合金經過表面激光沖擊強化處理后其超高周疲勞性能有較大的提高，而且在高循環低載荷下提高較為明顯。

2.2 疲勞斷口形貌

由圖4可以看出，激光沖擊強化前鈦合金的表面和次表面均出現了裂紋源，與文獻［6］結果一致。裂紋源一般出現在高應力區，而高應力區通常在材料表面附近，即表面或次表面。理論上，最大應力出現在材料表面，但在實際彎曲疲勞試驗中由于次表面的應力無法釋放，使得次表面某些位置的應力大于表面的，因此裂紋源也常出現在次表面。

由圖5可以看到，激光沖擊強化后疲勞裂紋都在鈦合金的次表面上萌生。由于鈦合金表面經強化處理后具有較大殘余壓應力以及晶粒細化產生的大量位錯，故裂紋更加傾向于在應力較大的次表面萌生。裂紋從次表面缺陷處產生，以近圓形方式擴展［7］。

圖4 激光沖擊強化處理前鈦合金疲勞斷口表面和次表面裂紋源的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of crack source in the surface and subsurface of Ti alloy before laser shock processing：（a）at low magnification and（b）at high magnification

圖5 激光沖擊強化處理后鈦合金疲勞斷口次表面裂紋源的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack source in the subsurface of Ti alloy after laser shock processing：（a）at low magnification and（b）at high magnification

激光沖擊強化細化了鈦合金表面的晶粒，阻止了疲勞裂紋的萌生和擴展。細化晶粒相當于減小了平均滑移距離，減小了在晶界上位錯引起的應力集中。此外，激光沖擊強化處理時鈦合金表面的塑性變形增加了間隙、層錯等結構缺陷，從而阻礙位錯的進一步運動，引起加工硬化。但是隨著深度的增加，對硬度的影響逐漸減弱，硬度逐漸減小至基體硬度。

從圖6可以看出，激光沖擊強化后試樣表面產生了殘余壓應力，這些殘余壓應力既可以阻止疲勞裂紋萌生，又通過增加裂紋的閉合效應來減小疲勞裂紋的擴展速率。通過掃描電鏡觀察可知（圖略），強化前試樣組織顏色較淺，強化后在試樣內能看到一定深度的顏色加深帶，這是激光沖擊強化處理對試樣的影響。殘余應力形成的機理是材料表面發生塑性變形，在平行于表面的平面內產生殘余拉應力，如圖7（a）所示。激光誘導沖擊波消失后，受激光沖擊區域的體積發生塑性應變，塑性應變受周圍金屬材料的限制，在平行于沖擊表面的平面里產生壓應力場，如圖7（b）所示。

圖6 激光沖擊強化后沿鈦合金深度方向上的殘余應力分布Fig.6 Residual stress distribution along the depth direction in Ti alloy after laser shock processing

圖7 激光沖擊強化后鈦合金表面殘余壓應力形成機理Fig.7 Mechanism of residual stress forming in the surface of Ti alloy after laser shock processing： （a）shock wave generated and（b）shock wave disappeared

表面存在的殘余壓應力，將極大抵消工作應力引起的拉應力集中，阻止裂紋在試樣表面萌生。這是由于，當試樣承受彎曲變形時，工作應力從試樣內部向試樣表面逐漸增大，當表面應力超過裂紋萌生需要的門檻值ΔK時，裂紋便從表面萌生并擴展，直至試樣破壞。而經過激光沖擊強化處理的試樣，其表面形成殘余壓應力場，可以抵消因變形形成的拉應力，試樣實際承受的載荷為兩種應力的差值，從而改善了其超高周疲勞性能。

由于激光沖擊強化使試樣表面產生了殘余壓應力，試樣表面可承受的載荷大大提高，裂紋萌生所需要的載荷也提高，從而提高了試樣的疲勞強度。此外，表面殘余壓應力場也將阻礙疲勞裂紋的擴展。

3 結 論

（1）對TC17鈦合金進行激光沖擊強化處理能夠有效地提高其高周彎曲疲勞性能，使其超高周疲勞壽命提高了一倍；強化在表面造成的殘余壓應力減小了材料表面載荷的平均應力。

（2）經過表面激光沖擊強化處理后試樣的超高周疲勞裂紋在次表面萌生，而不是在試樣表面。

（3）激光沖擊強化使得試樣表面產生的殘余應力阻止了裂紋在試樣表面萌生。

［1］李全通，劉青川，申景生，等.TC17鈦合金超高周彎曲振動疲勞試驗［J］.航空動力學報，2012，27（3）：617-622.

［2］通旭東，李全通，史永芳，等.表面帶不同輕微損傷的鈦合金的超高周疲勞性能［J］.機械工程材料，2013，37（9）：9-12.

［3］劉文才，董杰，翟春泉，等.噴丸對高強度變形鎂合金ZK60-T5高周疲勞性能的影響［J］.鄭州大學學報，2009，30（1）：1-5.

［4］薛紅前.超聲振動載荷下材料的超高周疲勞性能研究［D］.西安：西北工業大學，2006.

［5］SHANYAVSKIY A，ARTAMONOV M.Fatigue cracking in high-cycle-fatigue and very-high-cycle-fatigue areas of peened and unpeened Al-based alloys because of fretting damages［J］.Engineering Fracture Mechanics，2008，75（3／4）：682-693.

［6］FENG Lu-lu，LI Quan-tong.Research on the model of ultrahigh cycle fatigue destruction due to curving vibration after the surface hardening［C］／／The 6th International Conference on Very High Cycle Fatigue.Chengdu：［s.n.］，2014：82-84.

［7］李全通，通旭東，高星偉，等.基于試片超高周疲勞試驗的葉片高周疲勞壽命估算方法［J］.航空動力學報，2014，29（10）：2471-2475.