多次激光噴丸作用下TC4鈦合金的疲勞性能及微裂紋擴展預測模型

周曉剛，紀飛飛,2

(1.蘇州健雄職業技術學院，蘇州 215411；2.江蘇大學機械工程學院，鎮江 212013)

0 引 言

鈦合金具有密度小、強度高以及耐腐蝕性能和生物相容性良好等優點，廣泛應用于航空航天、生物醫療、核工業等領域[1]；但是其表面抗疲勞性能差、硬度低、耐磨性差的缺點易引起裂紋萌生及擴展，進而導致疲勞斷裂，這極大限制了其在極端環境下的應用[2-3]。在航空關鍵零部件應用領域，80%的失效是由疲勞損傷導致的，而其中50%90%的損傷是由應力集中區的斷裂失效引起的[4]。金屬構件的疲勞性能與其表面結構的完整性密切相關。激光噴丸技術是一種表面改性技術，具有非接觸、無熱影響區、低變形、高柔性等突出優點，能夠顯著細化材料表層晶粒，形成殘余壓應力層；同時，該技術還能實現復雜構件表面的改性[5]。表層殘余壓應力的形成可以有效抵消外載荷的作用，使得疲勞裂紋的萌生位置由表面轉向次表面[6]；并且根據Hall-Petch理論，晶粒細化可以提高材料的強度以及位錯滑移的變形抗力，抑制滑移帶的產生，從而阻礙微裂紋擴展。因此，噴丸強化可以明顯改善材料的疲勞性能。

目前材料的疲勞性能主要采用基于Paris、Walker、Forman、Hartman、Klesnil和IAB等理論的修正模型，或者采用計算機仿真技術進行預測。但是，關于激光噴丸強化后材料疲勞性能的預測，特別是噴丸強化后疲勞裂紋擴展速率和壽命預測還沒有完全適用的模型。任旭東等[7]采用應力強度因子疊加方法構建裂紋尖端應力場強度因子解析式，用于描述金屬板料的裂紋萌生壽命和裂紋擴展速率；李媛等[8]研究發現，裂紋擴展速率與應力強度因子幅滿足雙對數曲線關系，并且通過疲勞試驗確定了相關參數，獲得了激光噴丸后TC17合金的裂紋擴展速率預測模型；SUN等[9]采用多項式法對不同噴丸能量下的疲勞裂紋擴展速率進行描述，得出不同噴丸能量和噴丸次數組合下的裂紋擴展速率解析式。盡管上述研究已經涉及到激光噴丸強化工藝下的疲勞性能及裂紋擴展速率的模型構建，但是大多是從激光誘導表面殘余壓應力層對材料疲勞性能影響的角度進行分析的，忽視了晶粒介微觀尺寸效應對裂紋萌生、擴展的阻滯作用。

作者以TC4鈦合金為試驗材料，研究了不同次數激光噴丸誘導產生的不同尺寸晶粒對疲勞強度及微裂紋擴展速率的影響，構建了基于殘余壓應力及晶粒尺寸的疲勞裂紋擴展預測模型，并對模型進行試驗驗證。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為TC4鈦合金板，由西安航天新材料有限公司提供。在鈦合金板上線切割出如圖1(a)所示的板狀試樣，依次用200#～2000#砂紙打磨拋光后真空放置，防止試樣與空氣接觸發生氧化反應。采用納秒Gaia型激光器產生的震蕩脈沖照射吸收層為鋁箔、約束層為水的試樣表面，照射區域為圖1(a)中I區，試樣被夾持在庫卡機器人機械手KR30-3中，通過控制該機械手的運動軌跡調整試樣位置，并實現如圖1(b)所示的激光掃描路徑；通過控制機械手KR5R 1400來控制作為約束層水流的噴射速度及位置。激光波長為1 064 nm，光斑能量為6.5 J，光斑直徑為3 mm，搭接率為50%，脈沖寬度為18 ns，重復頻率為10 Hz，沿路徑掃描完成后即為激光噴丸1次，分別噴丸1，2，3次。

圖1 疲勞試樣形狀及激光噴丸方案

按照ASTM E 466-96，在MTS Landmark型液壓伺服測試裝置上對未噴丸試樣和噴丸試樣進行升降法高周疲勞試驗，疲勞試驗應力增量為5 MPa，試驗頻率為35 Hz，應力循環系數為0.3。對塊狀平板試樣進行噴丸處理后，在MTS880±100KN型電液伺服電機上預制裂紋，再進行微裂紋擴展試驗。平板試樣的寬度為120 mm，厚度為3 mm，激光噴丸時的光斑半徑為3 mm，預制微裂紋長度為0.01 μm，應力比為0.1，外載荷為正弦載荷，溫度保持在25～27 ℃，加載頻率在90～110 Hz。

2 試驗結果與討論

2.1 激光噴丸次數對疲勞性能的影響

由表1可以看出，隨著激光噴丸次數的增加，TC4鈦合金的疲勞強度增大，疲勞壽命延長，但是疲勞強度增幅逐漸降低，而疲勞壽命則一直呈快速增長趨勢。這說明當噴丸次數不大于4次時，激光噴丸工藝對TC4鈦合金的疲勞性能提升作用明顯。這主要是因為激光噴丸引入了殘余壓應力層，有效抵消了一部分外載荷的作用。此外，引入的殘余壓應力對疲勞微裂紋擴展還具有阻礙和閉合作用。

表1 不同次數激光噴丸后TC4鈦合金試樣的疲勞強度和疲勞壽命

2.2 疲勞斷口形貌

由圖2可知：未噴丸TC4鈦合金試樣的疲勞斷口上出現較大面積塊狀解理面，解理面與其承受的拉應力方向垂直，解理面中還存在一定數量的解理臺階，呈現出脆性斷裂特征。TC4鈦合金中的密排六方結構α相和體心立方結構β相在常溫下極易發生此類穿晶斷裂。激光噴丸1次后，疲勞斷口上出現大量的解理面，這些解理面呈現扇狀分布，構成典型的準解理面群特征，在準解理面附近分布著一定數量的夾雜物和韌窩；相比于未噴丸試樣，激光噴丸1次后試樣的解理面面積減小，并且出現了韌窩和夾雜物，表明其斷裂方式從解理斷裂向準解理斷裂過渡[10]。激光噴丸2次后，試樣疲勞斷口上的準解理面特征逐漸弱化，韌窩和夾雜物特征逐漸增強，說明試樣的塑性進一步提高，其斷裂方式變為以韌性斷裂為主。激光噴丸3次后試樣疲勞斷口以韌窩和夾雜物為主，韌窩呈密集排列的蜂窩狀，這表明試樣發生了韌性斷裂。綜上可知，隨著激光噴丸作用次數的增加，TC4鈦合金的塑性增強，斷裂機制由脆性斷裂向韌性斷裂轉變。

圖2 不同次數激光噴丸前后試樣的高周疲勞斷口形貌

2.3 疲勞裂紋擴展模型

激光噴丸技術能夠細化材料表層晶粒，并誘導形成殘余壓應力層。建立基于晶粒尺寸和殘余壓應力的疲勞裂紋擴展模型，對激光噴丸強化材料的疲勞性能預測及工藝參數設置具有重要指導作用。

目前，疲勞裂紋擴展及壽命的預測主要基于Paris公式[11]進行，其表達式為

(1)

式中：c為1/2裂紋長度；N為疲勞循環次數；C為常數；ΔK為應力強度因子幅。

在疲勞損傷開始階段微細裂紋萌生、擴展時，晶界對其有抑制和阻礙作用，因此式(1)中的C不是固定不變的，需要隨著應力和晶粒尺寸的變化而不斷進行修正。王永廉等[12]采用包含晶界對裂紋擴展作用的抑制參數j對式(1)進行修正，則：

(2)

(3)

式中：m，a為常數，與材料、外界環境因素有關；Δσj為疲勞極限；Δσ為應力幅；D為晶粒邊界尺寸。

考慮到材料疲勞性能受外載荷作用形式(應力比R)及材料本身性能(斷裂韌度Kc)影響，進一步對式(2)進行修正[13]得到：

(4)

激光噴丸強化技術能夠在材料表面誘導生成殘余壓應力，殘余壓應力會提高裂紋尖端處的閉合力從而阻滯裂紋擴展，而且還會抵消熱應力和加工殘留的拉應力而降低應力強度因子。因此，采用殘余應力強度因子Kr，并考慮殘余壓應力對裂紋尖端的閉合作用引入張開應力強度因子Kop來計算有效應力強度因子ΔKeff[14]，計算公式為

ΔKeff=(Kmax+kKr)-Kop

(5)

式中：Kmax為最大應力強度因子；k為系數，表征的是殘余應力作用的強弱，與材料強度等因素有關。

將式(5)代入式(4)并積分處理后得到：

(6)

式中：a為裂紋長度，a=2c。

假定試樣在疲勞工作環境下，所受力為F，作用面積為B(W-2c)(B為試樣厚度；W為試樣寬度)，斷裂前外加力F與拉伸應力σx成線性關系，斷裂開始臨界作用力Fmax對應的應力為σmax，則根據能量守恒定律可得：

(7)

式中：x為裂紋擴展長度。

(8)

式中：α為修正系數，用以消除假設拉伸應力與外加力在裂紋前沿呈線性關系產生的誤差。

激光噴丸強化作用產生的殘余應力強度因子Kr[15]可表示為

(9)

式中：σh為深度h處的殘余應力；Lp為殘余應力及塑性變化影響深度。

由試驗結果可知，沿著材料深度方向，殘余應力影響效果逐漸減弱，晶粒尺寸逐漸增大直至原始晶粒尺寸。為了便于計算，假定激光噴丸強化誘導的殘余應力沿著材料深度方向呈線性降低，即σh與表面殘余應力σsurf之間滿足：

(10)

將式(10)代入式(9)，則可得

(11)

將式(3)、式(8)、式(11)代入式(6)，即可得到激光噴丸強化后材料疲勞壽命計算公式：

(12)

通過查閱手冊，計算得到各參數如下：R=0.1，B=3 mm，W=120 mm，D取值在0.1～10 μm之間，Kc取值在57.8～86.3 MPa·m1/2之間，h介于0Lp之間，Lp=0.816 mm，a=1，F=1.5 kN，常溫下α取值在0.460.875之間，C取值在0.02～0.4之間，m取值在2.2～8.6之間，Δσj取值在888.39～1 088.53 MPa之間，Δσ=5 MPa，k取值在0～1之間。當裂紋長度2c為0.01 μm時，Kop/Kmax=0.113。將這些參數代入式(12)，計算得到不同噴丸次數下材料的疲勞壽命，見表2。

由表2可知，由式(12)預測模型預測得到的疲勞壽命與試驗值的相對誤差在10%以內，說明該模型較準確，在一定程度上可用于指導制定激光噴丸材料表面改性工藝。

表2 不同次數激光噴丸后TC4鈦合金高周疲勞壽命的實測值與模型預測值

3 結 論

(1)激光噴丸能夠顯著提高TC4鈦合金的疲勞強度和疲勞壽命，且疲勞強度和疲勞壽命隨著噴丸次數的增加而增大。

(2)隨著噴丸次數的增加，TC4鈦合金的高周疲勞斷裂方式由脆性斷裂向韌性斷裂轉變，當噴丸次數達到3次時，斷裂方式完全轉變為韌性斷裂。

(3)引入抑制參數對Pairs公式進行修正，建立了包含晶粒尺寸、殘余應力影響深度等參數的激光噴丸疲勞微裂紋擴展預測模型，預測得到的疲勞壽命與試驗值的相對誤差在10%以內。