激光沖擊強化對激光增材TC4鈦合金組織和抗氧化性的影響

薛　軍，馮建濤，馬長征，宋斌文，郭　偉，彭　鵬，孫汝劍，朱　穎

(1.陸軍裝甲兵學院 士官學校，吉林 長春 130117;2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

1　引　言

鈦合金具有密度小、比強度高、生物相容性優良以及耐腐蝕性好等許多優點，被廣泛用于航空航天、化工、生物醫學等領域[1-3]。而隨著激光增材技術的誕生以及應用，越來越多的航空構件、化工容器和生物醫學器官采用3D打印技術生產。在航空航天應用方面，一些結構復雜，性能要求高鈦合金產品只需小批量生產滿足應用要求，此時傳統加工方式不再具有成本優勢。激光增材制造成為很好地替代手段。因而鈦合金的增材制造研究在國內外得到了廣泛關注[4-6]。目前鈦合金的增材制造研究中，主要有成型工藝參數對TC4鈦合金的組織和性能的研究，以及成型過程中可能存在的缺陷問題，比如裂紋，應力均勻性差，硬度較低以及成型組織粗大等[7-9]。

激光沖擊強化技術是一項先進的表面改性技術，能夠在材料表面產生大的塑性變形，從而提高金屬材料的強度、硬度以及耐應力腐蝕性能，并且可以改善材料的抗氧化性和疲勞壽命。有學者研究表明，激光沖擊強化后的TC4鈦合金的殘余應力對耐疲勞性能的提高具有顯著的效果[10]。激光沖擊強化利用高功率密度的脈沖激光與材料進行相互作用產生沖擊波，使沖擊后的材料產生殘余壓應力和高密度位錯，從而提高了材料的表面硬度和抗疲勞壽命。國內外對于激光沖擊強化的研究主要集中于各種材料的激光沖擊強化機理研究，許海鷹[11]等人采用脈寬為30 ns、能量為40 J的脈沖激光器對TC4鈦合金的焊縫進行激光沖擊強化處理，結果顯示沖擊強化后沖擊區域硬度增加，晶粒得到細化?？哲姽こ檀髮W汪誠[12]等人對熔覆后的TC4鈦合金進行激光沖擊強化研究，實驗表明激光沖擊強化消除了熔覆產生的拉應力，并且產生高達672 MPa的殘余壓應力，晶粒得到細化，高周疲勞強度得到提高。孟憲凱等人研究了液氮溫度下激光沖擊波對Al-Cu合金的強化機理[13]。喬紅超等人針對激光沖擊強化對TiAl合金組織和性能的影響進行了研究[14]。對于激光沖擊強化后材料的抗氧化性能，研究表明，經過激光沖擊強化后，GH586高溫合金的抗氧化性能得到提高，并且材料內部的缺陷減少[15]。由于激光沖擊強化的處理面積小，精確度高，適合形狀復雜的成品零件，因此對于激光增材制造的金屬構件尤其適用。

本文主要研究了激光沖擊強化對激光增材TC4鈦合金的組織和氧化性的影響，分析了材料顯微硬度的提高與材料顯微組織的關系，以及激光沖擊強化前后殘余應力的分布。

2　實驗設備及方法

激光增材制造的TC4試驗試樣取自于增材構件的上端，如圖1所示。激光增材的實驗過程是在以氬氣為保護氣體(氧氣含量少于10 mg/L)的實驗裝置中進行，采用的是YLS-CL系列光纖激光器。成型工藝參數為：激光功率3 kW，光斑直徑1～2 mm，掃描速度800 mm/min，送粉速度為500～1 000 g/h，采用的是激光器來回掃描模式。成型后的構件如圖1所示，并且將相同掃描平面的增材試樣切成10 mm×10 mm×5 mm的沖擊強化試樣。

圖1　激光增材制造TC4試樣圖 Fig.1　Specimen of laser additive manufactured TC4

實驗前先對切下來的增材試樣進行清理，采用機械打磨，拋光處理，并用丙酮進行超聲清洗，最后烘干。然后將處理好的試樣進行激光沖擊強化處理，激光沖擊強化的原理裝置如圖2所示。激光沖擊強化實驗采用的是Nd∶YAG激光器(波長為1 064 nm，脈沖能量為5 J，頻率為2 Hz)。激光束的光斑直徑為3 mm，脈寬為10 ns，能量密度為7.07 GW/cm2。在沖擊試樣表面貼有0.1 mm厚的黑膠帶作為吸收層以增加激光的吸收量和減少表面的反射能量，黑膠帶表面覆蓋有1～2 mm的水膜作為約束層以增加激光沖擊波的峰值壓力，激光光斑的搭接率為30%，采用雙面沖擊。

圖2　激光沖擊強化原理示意圖 Fig.2　Schematic illustration of LSP process

將激光沖擊強化后試樣的截面鑲樣，然后依次采用400#、600#、800#、1000#、1500#和2000#砂紙打磨，然后拋光，拋光后采用體積比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶7的腐蝕液進腐蝕，采用萊卡光學顯微鏡(LEICA DM 4000)進行組織觀察。透射試樣的制備是先將試樣采用線切割切至厚度為0.3 mm的薄片，然后采用砂紙打磨至厚度為50 μm，進而采用離子減薄，最后得到直徑為3 mm的透射試樣，并通過透射電鏡(JEM-2100, JEOL)進行顯微組織的觀察。

顯微硬度的測試采用的是恒FM-800顯微硬度測試儀，測試條件為：載荷50 g，保載時間10 s，總共測試15個點，取平均值。氧化實驗在馬弗爐(KSL-1200X)中進行，加熱溫度為600 ℃，保溫時間為50 h。氧化層組織以及EDS采用場發射掃描電子顯微鏡(日本電子JEOL7001F)觀察。

3　實驗結果

3.1　顯微組織

對激光沖擊強化后的試樣采用光學顯微鏡(LEICA DM 4000)觀察，實驗結果如圖3所示。激光沖擊強化前，材料主要是有板條狀的α相構成，等軸α相比較少；經過激光沖擊強化后，板條狀的α相減少，出現大量的等軸α相，并且從圖 3(b)中可以看出，靠近沖擊表面晶粒尺寸比沿著沖擊強化深度方向的晶粒尺寸更小。晶粒尺寸的減小，對于材料的力學性能包括表面硬度的提高具有積極作用。

圖3　激光沖擊強化前后的光鏡組織圖 Fig.3　Optical microscopy observation results of the samples before and after LSP

3.2　顯微硬度

顯微硬度的結果如圖4(a)所示，硬度能夠反映材料在經過激光沖擊強化后顯微組織的變化。經過激光沖擊強化后，材料表面的顯微硬度明顯增加，激光沖擊強化前，材料表面的平均硬度為358 Hv，激光沖擊強化后增加至378 Hv。為了研究激光沖擊強化作用對試樣的影響層深度，沿著激光沖擊表面向材料內部方向每隔0.2 mm測量一個硬度點，測試結果如圖4(b)所示，硬度值呈遞減趨勢，實驗結果表明采用5 J能量沖擊的試樣的影響層深度為大約0.4 mm。硬度的增加與材料的晶粒尺寸細化以及微觀的位錯有關。

圖4　激光沖擊強化前后的顯微硬度 Fig.4　Micro-hardnesses of samples before and after LSP

3.3　透射組織

激光沖擊強化前后，材料的透射組織如圖5所示。圖5(a)與5(b)是激光沖擊強化前，增材制造TC4鈦合金的透射組織，從圖中我們可以看出，沖擊強化前，材料主要由α相和β相組成，并且通過放大的透射圖可以看出，內部含有的位錯比較少，晶界清晰可見。經過激光沖擊強化后，晶粒內部的位錯不斷滑移、增值，并迅速聚集、糾纏塞積，使得晶粒內部的位錯密度增加。根據米塞斯屈服準則，晶體的塑性變形主要有5個滑移系，然而TC4鈦合金是雙相材料并且在α相中只有4個獨立的滑移系統，并且TC4鈦合金的層錯能較低，因此，α相容易形成孿晶去實現一部分的塑性變形[16]。如圖5(c)所示，激光沖擊強化后在材料中有孿晶的產生。

圖5　激光沖擊強化前后透射組織圖(a、b：激光沖擊強化前 c、d：激光沖擊強化后) Fig.5　TEM of the samples before and after LSP(a、b：before LSP c、d：after LSP)

激光沖擊強化對于材料的晶粒細化主要有以下過程：首先是位錯的滑移增殖，糾纏形成位錯墻、位錯胞，高密度位錯進一步滑移，形成新的晶界；另一方面，形變孿晶的形成，也為新的晶界的形成創造條件，新晶界的形成，達到了晶粒細化的作用，使得材料的性能的提高，因此激光沖擊強化后顯微硬度提高[17]。

根據材料的顯微硬度Hv與材料的位錯密度的關系[18]：

Hv=Hv0+αGbρ1/2,

(1)

式中，Hv0為基體的硬度，α、G、b為與材料特性有關的常數。

由式(1)可知，材料的顯微硬度與位錯密度相關，隨著激光沖擊強化的沖擊波壓力的作用，表面產生較大的塑性變形，材料的內部的位錯密度增加，使得材料的表面顯微硬度增加，如圖5所示。

3.4　殘余應力

殘余應力采用鉆孔法測量，測試儀器為Prism residual stress measurement system。材料表面的殘余應力數值相同時，激光沖擊強化產生的殘余壓應力越深則材料的抗疲勞強度就越強[19]。如圖6所示，激光沖擊強化前，材料表面到內部的殘余應力分布比較平緩，近表面區存在較大的殘余拉應力，經過激光沖擊強化處理后，材料的殘余壓應力高達472 MPa，并且影響層深度達到0.4 mm，這與前文中的沖擊強化的硬度影響層深度相一致。材料中殘余壓應力的產生主要與材料表面發生不可恢復的塑性變形有關。較大的殘余壓應力與較深的影響層深度可以有效的改善材料的疲勞性能。同時，殘余壓應力的產生可以改善激光增材TC4鈦合金表面的應力狀態，從拉應力變為壓應力狀態。殘余壓應力的存在有效抑制了疲勞裂紋的萌生，同時對已有的裂紋產生閉合效應[20]，從而提高材料的疲勞壽命。

圖6　激光沖擊強化前后的殘余應力 Fig.6　Residual stress curves of samples before and after LSP

從圖6可以看出，最大的殘余壓應力不是產生在沖擊區域表面，而是產生在距離沖擊試樣上表面0.08 mm處，另外在深度方向，殘余應力的衰減梯度比較大，這是由于沖擊波在材料中傳播的衰減特性所決定的。

3.5　抗氧化性

激光沖擊強化后截面氧化層的SEM圖像如圖7所示，對氧化層厚度進行測量，結果表明，激光沖擊強化前的氧化層厚度為6.7 μm，激光沖擊強化后的氧化層厚度減小到4.5 μm。氧化層厚度越高，表明材料的氧化反應越充分，氧化過程越劇烈；反之，氧化層厚度的降低，表明氧化反應的程度減弱，所以激光沖擊強化在600 ℃，保溫50 h后，可以改善材料的抗氧化性。對氧化層進行EDS測定，結果表明，激光沖擊強化后，氧化層中Al元素的含量增加，這是因為Al與氧氣反應可以生成致密的Al2O3，從而阻止了Ti進一步與氧氣發生反應，降低了氧化速率，進而改善了材料的抗氧化性。表面氧化層SEM圖像如圖8所示，未經過激光沖擊強化處理的試樣表面有白色塊狀物聚集，該區域的EDS檢測結果表明，該區域Al元素含量比其他區域的Al元素要高，表明Al2O3分布不連續。在氧化實驗中，Al2O3的吉布斯自由能比TiO2低[21]，高溫下更穩定，激光沖擊強化前試樣的表面氧化層的EDS表明Al2O3分散不連續，而采用激光沖擊強化處理的試樣，表面的Al2O3比較致密連續，可以阻止氧氣進一步擴散進基體與Ti發生氧化反應，因此，激光沖擊強化的試樣的氧化性得到了一定的改善。

圖7　激光沖擊強化前后的氧化層SEM照片 Fig.7　SEM photos of oxidation layer before and after LSP

圖8　激光沖擊強化前后表面氧化層的SEM圖 Fig.8　SEM photos of surface oxidation layer before and after LSP

5　結　論

(1)激光增材TC4鈦合金經過激光沖擊強化后，通過光學顯微鏡觀察，發現沖擊表面晶粒細化，等軸α相增多；沖擊表面的透射組織結果表明，沖擊強化后產生了高密度的位錯，形變孿晶以及位錯胞，實現了晶粒細化；

(2)激光沖擊強化后，材料的顯微硬度增加，與未經過激光沖擊強化對比，增加幅度為8%，激光沖擊強化的影響層深度為0.4 mm；殘余應力測試結果表明，激光沖擊強化后，沖擊試樣產生了較大的殘余壓應力，最大殘余應力為472 MPa，殘余應力的影響層深度為0.4 mm；

(3)對沖擊強化后的試樣進行高溫抗氧化性的研究，結果表明，氧化層厚度從激光沖擊強化之前的6.7 μm降低到4 μm，激光沖擊強化改善了材料的高溫抗氧化性能。

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薛　軍(1977—)，男，吉林梅河口人，碩士，副教授，主要從事機械維修、維修新技術方面的研究。E-mail:xjykl@163.com

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