強激光沖擊強化對7075鋁合金的硬度影響

王江濤，陳菊芳

（江蘇理工學院材料工程學院，江蘇常州213001）

強激光沖擊強化對7075鋁合金的硬度影響

王江濤，陳菊芳

（江蘇理工學院材料工程學院，江蘇常州213001）

采用GAIAR型Nd:YAG納秒高功率激光器對7075鋁合金進行激光沖擊強化表面處理，借助高分辨透射電鏡（TEM）對沖擊后的表層進行微觀組織觀察，對沖擊前后的試樣進行了拉伸性能和微觀硬度的對比測試.研究結(jié)果表明:激光沖擊后7075鋁合金表層微觀硬度提高較大，尤其是4次沖擊后硬度與未沖擊相比提高29.6%，且較為均勻，硬化層的厚度接近1次沖擊的4倍.激光沖擊強化在鋁合金表層誘導的高密度位錯和晶粒細化是硬度提高的主要原因.

激光沖擊；微觀硬度；位錯密度；晶粒細化

金屬材料或零件在經(jīng)過激光沖擊強化之后，在表面形成形變硬化層，改變其表面狀態(tài).材料表面狀態(tài)一般用表面完整性（SI：Surface integrity）來描述.它主要包括表面顯微硬度、表面殘余應力、表面粗糙度等物理量.它們對于材料在各種條件下的使用性能有著重要的影響.其中硬度是材料在外力作用下抵抗變形的能力，硬度的變化一直是激光沖擊研究者關(guān)注的重點之一.空軍工程大學周磊等利用Nd：YAG激光器對航空鋁合金LY2進行了激光沖擊強化處理，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)其硬度提高23.5%［1］.北京航空航天大學朱穎等采用脈沖能量20J的調(diào)Q摻釹玻璃激光對鈦合金TA15進行不同次數(shù)的激光沖擊強化，研究發(fā)現(xiàn)隨著沖擊激光沖擊強化可以有效提高TA15的表面硬度，深度方向硬度由表及里逐漸降低；沖擊次數(shù)增加會導致表面硬度和影響層的深度逐漸得到提高［2］.中科院沈陽自動化研究所朱灝等對金屬鎢進行激光沖擊強化處理后發(fā)現(xiàn)當沖擊次數(shù)達到3次時，硬度提高15%左右［3］.江蘇大學任旭東等用激光沖擊QT700后獲得了590 HV的表面硬度，且硬度影響層達到1 mm［4］.通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化可以提高材料的表層硬度，但是對于7075鋁合金材料硬度的影響研究鮮見報道.7075鋁合金是7xxx系鋁合金中較為常用的航空工業(yè)鋁合金，其最大優(yōu)點是比強度高.本文采用GAIAR型Nd：YAG納秒高功率激光器對7075鋁合金及其焊接件進行激光沖擊強化，對沖擊區(qū)的硬度變化和改性機理進行研究.

1　實驗材料與方法

實驗選用板厚為4 mm的7075-T6鋁合金，其化學成分及其室溫下力學性能如表1所示.

表1　室溫下7075鋁合金的組分表（wt.%）和力學性能

1.1激光沖擊強化

激光沖擊強化實驗的激光器是江蘇大學的GAIAR型Nd：YAG納秒高功率激光器.參數(shù)如下：脈寬8 ns；波長1064 nm；光斑直徑2 mm；脈沖能量9 J；沖擊次數(shù)分別選擇1、2、3和4次.為保證沖擊時試樣表面不被燒傷，用鋁箔作為吸收層.采用1～3 mm厚的均勻流水層做約束層.

1.2性能檢測

本文硬度測試采用HRS-150型數(shù)顯電子維氏硬度計，測定硬度時，是以一定的試驗力（本研究為1.96 N）將壓頭壓入試件表面，保持一定的時間（本研究為20s）后卸除試驗力，在試樣表面留下一壓痕.根據(jù)試驗力F（N）和測得兩個壓痕對角線的算術(shù)平均值d（mm），用公式（1）計算求得維氏硬度（HV）.

為了觀測激光沖擊對鋁合金微觀組織的變化，制備直徑為3 mm的試樣，電解雙噴后用JEM2100型高分辨透射電鏡進行測試，其加速電壓采用200 kV.在萬能電子拉伸試驗機上進行拉伸性能測試實驗，拉伸速度為2 mm/min.每個測定值取8個試樣的平均值，進行抗拉強度的測試.

2　實驗結(jié)果與分析

2.1微觀形貌測試

未激光沖擊強化和4次沖擊強化后的鋁合金試樣雙噴后用JEM-2100透射電鏡觀察微觀組織的變化，結(jié)果如圖1所示，其中圖1（a）和圖1（b）分別為未沖擊試樣和4次沖擊試樣的明場像.從圖1（a）可以看出未沖擊鋁合金試樣存在較為粗大的β相，而且位錯密度較低.激光沖擊強化4次后β相變得細小而均勻，由于激光誘導的沖擊波在材料的表層誘發(fā)了嚴重的塑性變形［5-6］，擊碎了粗大的β相晶粒，達到細晶強化的效果［7］.同時，激光沖擊強化致使晶格滑移，各種位錯發(fā)生滑移和糾纏，導致試樣局部位錯密度升高，如圖1（b）所示.

圖1　鋁合金的TEM微觀組織形貌

2.2抗拉強度

圖2　不同激光沖擊強化次數(shù)下鋁合金材料的應力應變曲線

激光沖擊強化前后的拉伸應力應變曲線如圖2所示，其中圖2（a）為工程應力（E-Stress）和工程應變（E-Strain）的曲線圖，圖2（b）為真實應力（E-Stress）和真實應變（E-Strain）的曲線圖.從兩圖中都可以看出4次激光沖擊強化7075鋁合金后彈性模量E、屈服強度σ0.2提高不明顯.但是抗拉強度σb由沖擊前的400 MPa提高到4次沖擊后的550 MPa，提高了37.5%，應變率提高接近1倍.這與文獻［8］和［9］激光沖擊不銹鋼以及焊接頭的結(jié)論一致.正如微觀組織觀察的結(jié)果，激光沖擊后鋁合金表層晶粒得到細化，而晶粒的細化可以提高材料的工程抗拉強度［10］，且強化機理遵循Hall-Petch關(guān)系［11］.抗拉強度的提高有助于材料的疲勞性能的提高和壽命的延長.

2.3激光沖擊強化后鋁合金材料的硬度變化

不同次數(shù)下激光單點沖擊強化后鋁合金表面的硬度變化測試結(jié)果如圖3所示.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在光斑中心處，隨著激光沖擊次數(shù)的增加，硬度值不斷增加，2次沖擊比1次沖擊的硬度增加4%，3次沖擊比2次沖擊硬度增加2%，4次沖擊比前1次只增加了1%左右.同時可以發(fā)現(xiàn)隨著激光沖擊次數(shù)的增加，光斑直徑范圍內(nèi)的硬度值趨于均勻分布，尤其是4次沖擊后，硬度與基體相比提高29.6%，且較為均勻.沖擊次數(shù)較少時不均勻的原因是激光光斑能量分布不均勻所致.當次數(shù)增加，彌補了能量不均的缺點，硬化效果開始均勻.圖4為沿深度方向激光沖擊強化對鋁合金硬度影響的測試結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn)，隨著激光沖擊次數(shù)的增加，硬度變化的梯度變小，變化趨于平緩.4次激光沖擊強化對于硬度的影響層幾乎是單次沖擊的4倍.

圖3　不同沖擊次數(shù)下單點表面微觀硬度分布

圖4　不同沖擊次數(shù)下微觀硬度在深度方向的分布

2.4激光沖擊強化后鋁合金材料硬度變化機理分析

激光沖擊后位錯密度增高，根據(jù)位錯密度與材料硬度關(guān)系［12］：

式中，a和b為材料有關(guān)的常數(shù)；為切變模量，由材料的拉伸試驗可知材料的彈性模量E基本不變，泊松比υ是與材料有關(guān)的常數(shù)，導致切變模量G基本不變；因此位錯密度ρ會影響激光沖擊后的材料硬度.從2.1的測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化后位錯密度大大增加，因此鋁合金沖擊后位錯密度的提高是導致硬度提高的微觀機理之一.

同時文獻［14］提出的鋁合金布氏硬度（HB）與材料的工程抗拉強度σb成正比關(guān)系.通過最小二乘法的擬合可以估算出HB與σb的關(guān)系如下：

根據(jù)文獻［14］提出的HB和微觀硬度HV之間存在如下關(guān)系：

由式（5）可知，當激光沖擊強化誘發(fā)的表面劇烈塑性變形，引起位錯糾纏產(chǎn)生亞晶，導致晶粒細化，材料的抗拉強度提高，材料表層的微觀硬度將會隨之提高，因此可知晶粒細化也是微觀硬度提高的又一微觀原因.

3　結(jié)論

（1）激光沖擊強化由于沖擊波誘發(fā)的劇烈塑性變形，導致材料表層晶粒細化，由于高應變率的作用使得材料表層的位錯密度升高.

（2）材料表層的微觀硬度提高與材料表層的位錯密度升高有直接的關(guān)系，而晶粒細化能導致7075鋁合金工程斷裂強度提高，根據(jù)其和微觀硬度的關(guān)系可知微觀硬度也隨之提高.

［1］周磊，李啟鵬，薛德志，等.LY2鋁合金的激光沖擊強化區(qū)硬度和殘余應力測試分析［J］.航空精密制造技術(shù)，2010，46（1）：43-45.

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［3］楊灝，趙吉賓，喬紅超，等.金屬鎢的激光沖擊強化研究［J］.光學學報，2014，34（B12）：245-249.

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［9］鐘金杉，魯金忠，羅開玉，等.激光沖擊對AISI304不銹鋼拉伸性能和摩擦磨損性能的影響［J］.中國激光，2013（5）：62-68.

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［14］蓋秉政.布氏硬度值與維氏硬度值之間的關(guān)系［J］.計量技術(shù)，1976（3）：24.

The Influence of Intensive Lasershock Peening on Microhardness of 7075 Aluminum Alloy

WANG Jiangtao，CHEN Jufang
（School of Materials Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

7075 aluminum alloy was processed by lasershock induced by GAIAR Nd:YAG nanosecond high power laser.Microstructures of them after lasershock peening（LSP）were observed by transmission electron microscopy（TEM）.Tensile properties and microhardness of 7075 aluminum alloy with LSP and without LSP were carried out and compared.The resultsshowed that the effect of LSP on microhardness of 7075 aluminum alloy was fairly useful and obvious.Especially with four times LSP，the microhardness was improved by 29.6%in contrast to thespecimens without LSP，and the distribution of them was more uniform and the thickness of the hardened layer was about 4 times as much as it without LSP.High density dislocation and grain refinement in 7075 aluminum alloy induced by lasershock processing are the main reasons for the increase of microhardness.

lasershock processing（LSP）；microhardness；density of the dislocations；grain refinement

TG174.1

A

1008-2794（2015）04-0034-10

2016-03-11

國家“863”計劃子項目“典型產(chǎn)品運行安全壽命預測技術(shù)研究”（2012AA040104）；國家自然科學基金項目“結(jié)構(gòu)系統(tǒng)疲勞失效相關(guān)性的宏細觀分析與可靠性建?！保?1275221）、“基于激光加熱的施壓成形機理和方法研究”（51105182）；江蘇省青藍工程人才項目；常州市應用基礎研究計劃項目“基于高功率光纖激光熔覆成形的組織與性能研究”（CJ20159051）

王江濤，副教授，博士，研究方向：鋁合金及其焊接件的表面激光強化，E-mail：jxwjt@jsut.edu.cn.