論激光沖擊強化技術在1Cr11Ni2W2MoV鋼中的應用

劉風坤

（貴陽職業技術學院，貴州 貴陽 550081）

表面沖擊強化技術即使用高速彈丸、沖擊脈沖、高壓水射流、激光等高能量攜帶載體沖擊工件表面，從而使工件表面改性、提高工件綜合力學性能的一種表面處理技術。根據能量攜帶載體的不同，表面沖擊強化技術主要包括：機械噴丸強化技術、超聲沖擊強化技術、水射流沖擊強化技術和激光沖擊強化技術等。其中，激光沖擊強化技術是近年來興起的一種新型的表面沖擊強化處理技術，具有強化處理效果好、工藝參數可以精準控制等諸多優點。

1Cr11Ni2W2MoV鋼是一種熱強型馬氏體不銹鋼，具備較高的室溫拉伸強度、持久強度、蠕變強度，被廣泛地用于制造航空發動的重要零部件，如航空發動機的壓氣機葉片。近年來，為了進一步提高1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件的疲勞強度及耐磨損性，國內外的一些企業采用激光沖擊強化處理的方法對其進行表面沖擊處理。本文從激光沖擊強化技術的原理著手，分析其沖擊強化處理的效果，簡述當前該技術在1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件中的應用情況，為1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件在不同的服役環境中工作時選擇合適的表面強化處理方式提供依據。

1 激光沖擊強化原理

激光沖擊處理（LSP）是指利用納秒級、短脈沖、大能量的激光束對材料表面進行輻射，誘導出沖擊波。在沖擊波的力學效應下，位于沖擊區材料的表層約2mm厚度范圍內會產生一定的殘余壓應力，且表層約4μm范圍內材料組織得到細化，從而大幅提高材料的抗疲勞和應力腐蝕性能。

激光沖擊處理的原理圖見圖1，原理圖中自上而下分別是約束層、吸收層和1Cr11Ni2W2MoV鋼制工件。約束層采用清潔、快捷、廉價的均勻流水層，流水層的厚度一般為2～3mm。約束層的作用在于通過提高沖擊波半峰全寬度和等離子體的壓力來提升沖擊波沖量。吸收層可采用厚度為0.1～0.15mm的柔性鋁箔，作用是保護材料表面使其不被激光燒蝕，吸收逆韌，產生等離子體等。采用柔性鋁箔作為吸收層的另一個好處是，與非金屬吸收層（如黑漆）相比，鋁箔與1Cr11Ni2W2MoV鋼的聲阻抗值較近，可減少基體與吸收層間沖擊波的反射。

當采用具有一定傾斜角度（這樣做的好處在于：將圓形光斑轉變為橢圓形，防止了圓形光斑中心輻照區應力下降的現象）的激光束輻照工件時，吸收保護層鋁箔吸收激光的巨大能量后出現氣化蒸發現象，產生具有一定壓力的等離子體，這些等離子體繼續吸收激光的能量形成高強度、爆炸性的沖擊波，這些被誘導出來的沖擊波中既有塑性波又有彈性波。沖擊波從材料表層向內部傳播，在材料表面形成密集的微觀結構，細化表層組織，產生較大的殘余壓應力，提高材料的抗疲勞性能。

2 激光沖擊強化的效果

經激光沖擊后1Cr11Ni2W2MoV鋼的表層組織結構發生了變化，這些變化使鋼表面的微觀硬度變大、組織細化、出現較大殘余壓應力、表面粗糙度變大、索氏體結構變形等，這些變化都會對材料的抗疲勞性能產生影響。

2．1 顯微硬度

硬度是材料抵抗局部變形和破壞的能力，能夠在一定程度上反應出材料力學性能。在航空發動機壓氣機葉片的生產過程中常通過檢測葉片表面硬度的方法來驗證葉片的抗疲勞性能是否達標。采用激光沖擊處理后1Cr11Ni2W2MoV鋼表面的硬度可從392HV提高到434HV，硬度提高幅度約為10.7%，硬度影響層的深度可達2.2mm。在激光束的沖擊作用下，1Cr11Ni2W2MoV鋼的點缺陷濃度增大，這些缺陷的遷移、復合可形成大量的位錯，致使晶格發生畸變，塑性變形變的更加困難，硬度增加。硬度的提高可以提升壓氣機葉片的抗氣蝕和磨損能力，使長期工作在沙塵高速沖刷環境中的葉片保持較好的表面質量，改善疲勞性能。

圖1 激光沖擊強化原理

2．2 顯微組織

激光沖擊處理并沒有使1Cr11Ni2W2MoV鋼表層組織發生改變，仍然保持為回火索氏體。但處理后材料表面出現了4μm后的納米晶層，晶粒尺寸為20～50納米，晶體學去向隨機。納米晶層下出現了一層厚度約為15μm的索氏體變形層。納米晶層的細化組織可以增加滑移變形抗力，減少滑移帶的形成，抑制滑移帶的開裂，阻礙裂紋的擴展，提高材料的抗疲勞性能。索氏體變形層的出現，產生了加工硬化的效果，提高材料的強度，進而也提高疲勞性能。

2．3 殘余壓應力

激光沖擊處理后材料的表層會在沖擊波的作用下出現約850MPa的殘余壓應力，且殘余壓應力的影響深度超過了2mm。殘余應力是材料發生的彈塑性變形不均勻導致的，其從表層至內層的數值按照一定梯度逐漸減小至零。殘余壓應力的存在直接影響著材料的抗疲勞性能，二者之間的關系可從Forman公式中得到。

2．4 表面粗糙度

表面粗糙度是指零件表面微小峰谷的高低以及細密程度構成的微觀幾何形狀特征。由于零件的疲勞裂紋大多萌生于材料的表面，因此，材料表面質量的高低對零件的疲勞性能起著至關重要的影響。表面粗糙度對材料疲勞性能產生重要影響的原因在于：較大的粗糙度能夠使零件表面產生較強的應力集中，促使裂紋成核。零件表面質量高低與引起應力集中大小的關系可用缺口應力公式來衡量。

總之，激光沖擊后材料的表層組織細化、形成不均勻變形層，顯微硬度增大，出現殘余壓應力。這些變化延長了零件中裂紋萌生的時間，阻礙了已有裂紋的擴展，在垂直于主裂紋的方向上生成次生裂紋，一定程度上消耗材料內部堆積的能量。盡管對零件的表面粗糙度產生了一定的影響，但總體上還是大幅提高了零件的疲勞強度。

3 激光沖擊強化的應用

任志強等將激光沖擊強化技術應用到某型號航空發動機的葉片上，對比研究了激光沖擊對1Cr11Ni2W2MoV鋼制葉片組織性能和疲勞壽命的影響。結果表明：采用能力為10J的激光沖擊后，零件表面的殘余壓應力達到最大值；零件表面的馬氏體組織得到了明顯的細化，出現了塑性變形層達到了形變強化的效果；與未強化處理的零件相比，激光沖擊處理后零件的疲勞壽命從1.02×106周次提高到1.73×106周次，提高幅度超過了1.7倍。

賴志林等對比研究了激光沖擊處理與超聲噴丸處理對1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件常溫疲勞性能的影響。結果表明：在形成殘余壓應力方面，激光沖擊處理達-810MPa,比超聲噴丸處理的-545MPa增加48.6%；在殘余壓應力的影響深度方面，激光沖擊處理達1.8mm，比超聲噴丸的0.4mm增加3.5倍；在表面顯微硬度方面，激光沖擊處理后比未處理狀態提高了42HV，超聲沖擊處理比未處理狀態提高了13HV，兩種處理方式相比提高了2.23倍；在零件表面粗糙度方面，未處理零件表面的粗糙度為0.419μm，激光沖擊處理后的表面粗糙度為0.584μm，超聲噴丸處理后的表面粗糙度為0.704μm。綜合來看，激光沖擊處理使零件的疲勞壽命提高了280.1%，超聲噴丸處理使零件的疲勞壽命提高了88.2%。

汪誠等研究了激光沖擊次數對1Cr11Ni2W2MoV鋼制零件高周疲勞性能的影響。研究發現，激光沖擊強化的次數對零件表面粗糙度、殘余應力的影響深度及高周疲勞壽命的提高程度都有影響。其中一次激光沖擊強化可將零的疲勞壽命提高3.8倍，而三次激光沖擊強化可將零件的疲勞壽命提高5倍。

4 結語

激光沖擊強化后零件表層的顯微硬度增加，表層顯微組織發生細化且出現一定的變形層，在影響層內產生一定的殘余壓應力，這些現象的出現都是提高零件疲勞性能的主要原因。激光沖擊強化后零件的表面粗糙度會發生一定程度的降低，這將對提高零件的疲勞性能產生不利的影響。相對于超聲噴丸和機械噴丸，這種處理方式對粗糙度造成的影響是最小的。激光沖擊次數對提高零件的疲勞性能有一定的影響，隨著這沖擊次數的增加疲勞壽命的增加幅度逐漸減小。