高頻率Nd∶YLF平頂激光沖擊對(duì)TC6鈦合金表面應(yīng)力及微變形的影響

朱 然，謝地輝，朱帥光，張永康

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock peening, LSP)技術(shù)通過(guò)采用短脈沖高峰值功率密度激光輻照金屬工件表面，形成瞬態(tài)高壓沖擊波壓力，使金屬材料表層發(fā)生局部塑性形變強(qiáng)化，形成具有一定深度的殘余壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)工件的強(qiáng)化，從而能夠顯著提高金屬工件的抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕等性能[1-3]。

在激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)中，激光器是其最核心的一部分，激光器性能的優(yōu)劣直接決定了金屬件的強(qiáng)化處理效果。目前，Nd∶YAG固體激光器在國(guó)內(nèi)激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，例如，某研究所相關(guān)研究人員研制了Nd∶YAG脈沖固體激光器，最大重復(fù)頻率為5 Hz，在此基礎(chǔ)上搭建了激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)[4-5]，同時(shí)針對(duì)不同金屬材料開(kāi)展了一系列的激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)[6-9]。空軍工程大學(xué)以Nd∶YAG激光器為主，研發(fā)了激光沖擊強(qiáng)化成套設(shè)備，重復(fù)頻率選擇范圍設(shè)定在 1～3 Hz，針對(duì)激光沖擊強(qiáng)化鈦合金、高溫合金等材料的力學(xué)性能及抗疲勞性能進(jìn)行了研究[10-13]。國(guó)內(nèi)其它單位的研究人員[14-17]基于Nd∶YAG固體激光器，針對(duì)不同金屬材料進(jìn)行了一系列激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，分析了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)工件殘余應(yīng)力、硬度、耐腐蝕性能及摩擦性能的影響。國(guó)外一些學(xué)者也開(kāi)展了Nd∶YAG激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，Aswegen等[18]分析了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)2024鋁合金殘余應(yīng)力和疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。Chattopadhyay等[19]針對(duì)鈦金屬焊接件進(jìn)行了激光沖擊強(qiáng)化，分析了其對(duì)耐腐蝕性能、力學(xué)性能及微觀組織的影響。Siddaiah等[20]分析了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)AZ31B鎂合金磨損、耐腐蝕性能的影響。

與Nd∶YAG晶體相比，Nd∶YLF晶體具有更低的閾值以及更高的單模平均功率，具有更小的熱透鏡效應(yīng)、單模體積大等特點(diǎn)。在有效儲(chǔ)能、Q開(kāi)關(guān)輸出、單縱模穩(wěn)定態(tài)工作等方面，Nd∶YLF比Nd∶YAG顯示出更大的優(yōu)越性[21]，美國(guó)某公司研制的Procudo200型激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)已采用Nd∶YLF激光器[22]。目前基于Nd∶YLF激光器開(kāi)展的TC6鈦合金平頂激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)的研究鮮有報(bào)道，高重復(fù)頻率(大于5 Hz)條件下的相關(guān)激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)報(bào)道也比較少。

本文選取TC6鈦合金材料為研究對(duì)象，采用Nd∶YLF激光器對(duì)其進(jìn)行10 Hz重復(fù)頻率條件下的平頂光束激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，從表面殘余應(yīng)力和形變強(qiáng)化兩個(gè)角度來(lái)評(píng)價(jià)激光沖擊強(qiáng)化效果，分別從光斑搭接率、激光能量、沖擊次數(shù)對(duì)上述兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，為高重復(fù)頻率條件下Nd∶YLF激光沖擊強(qiáng)化在關(guān)鍵零部件上應(yīng)用提供一定的工藝基礎(chǔ)積累。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取尺寸為25 mm×25 mm×5 mm的TC6鈦合金板做為激光沖擊強(qiáng)化試樣，材料的化學(xué)成分組成及室溫力學(xué)性能分別如表1和表2所示。在進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理之前對(duì)待處理表面進(jìn)行打磨拋光處理，并對(duì)其進(jìn)行超聲波清洗，最后對(duì)其進(jìn)行去應(yīng)力退火以降低初始應(yīng)力對(duì)激光沖擊強(qiáng)化效果的影響。

表1 TC6鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù), %)[23]

表2 TC6鈦合金的室溫力學(xué)性能[23]

1.2 激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)

采用美國(guó)某公司研制的第三代Procudo200型激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Nd：YLF晶體激光棒，產(chǎn)生的波長(zhǎng)為1053 nm，脈沖能量最大為10 J，最大脈沖頻率為20 Hz，脈沖寬度8～22 ns，圓形光斑直徑為φ(2～8)mm，激光光斑能量分布呈現(xiàn)平頂分布(見(jiàn)圖1)。激光沖擊軌跡及區(qū)域如圖2所示。本文激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)采用的光斑直徑為φ3 mm，脈沖頻率為10 Hz，脈沖寬度為20 ns，表3列出了不同試樣的激光處理工藝參數(shù)。

圖1 激光束能量分布

圖2 激光沖擊強(qiáng)化軌跡

表3 不同試樣的激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)

1.3 表面殘余應(yīng)力和形貌的測(cè)量

利用XL-640型X射線應(yīng)力測(cè)定儀測(cè)量試樣沖擊前后的表面殘余應(yīng)力，測(cè)量方法為測(cè)傾固定Ψ法，輻射為Cu Kα，衍射晶面為(213)，2θ掃描起止角分別為147°和137°，記數(shù)時(shí)間50 s，測(cè)量點(diǎn)間距為3 mm。

利用Contour GT-X3型白光干涉儀得到樣品的三維形貌和表面粗糙度等特征，測(cè)試過(guò)程中采取拼接掃描的方式，利用光的干涉原理，對(duì)試樣4 mm×4 mm的區(qū)域進(jìn)行形貌特征的測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面殘余應(yīng)力

當(dāng)激光沖擊能量為6 J，重復(fù)頻率為10 Hz時(shí)，Procudo200型激光沖擊強(qiáng)化控制系統(tǒng)顯示屏記錄的不同時(shí)刻能量變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，該激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)在高重復(fù)頻率條件下，能量波動(dòng)很小，仍可保證高效穩(wěn)定的工作。不同搭接率(10%、30%和50%)激光沖擊強(qiáng)化作用后試樣如圖4所示，從圖4可以看出，光斑搭接率為50%時(shí)，試樣表面黑膠帶發(fā)生破損，靶材表面出現(xiàn)一定程度的燒蝕現(xiàn)象，測(cè)試不同光斑搭接率作用后試樣中心位置處的表面殘余應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，不同光斑搭接率作用后，試樣中心處的表面殘余壓應(yīng)力分別為-398、-617和-491 MPa，光斑搭接率為30%時(shí)，試樣表面獲得殘余應(yīng)力最大，因此在Nd∶YLF平頂光束激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程中，優(yōu)選30%的光斑搭接率。該搭接率的選取與先前研究[24]選取50%的搭接率相比，可以減少光斑數(shù)量，提高效率，降低加工成本。

圖3 激光沖擊能量隨時(shí)間的變化

圖4 不同搭接率作用后的激光沖擊強(qiáng)化試樣(激光能量6 J，沖擊1次)

表4 不同搭接率作用下試樣中心處表面殘余應(yīng)力(激光能量6 J，沖擊1次)

圖5為不同激光沖擊能量對(duì)TC6鈦合金試樣表面殘余應(yīng)力的影響。從圖5(a)可以看出，隨著激光沖擊能量的增加，TC6鈦合金表面殘余壓應(yīng)力增加，同時(shí)可以看出，對(duì)于平頂分布的激光，在30%的光斑搭接率下，不同位置表面殘余應(yīng)力值波動(dòng)較小；從圖5(b)可以看出，當(dāng)激光沖擊能量分別為5、6和7 J時(shí)，TC6鈦合金表面平均殘余應(yīng)力相對(duì)于未處理表面殘余應(yīng)力(-31.4 MPa)分別增加了501.7、552.4和575 MPa。

圖5 激光能量對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力的影響(沖擊1次)

圖6為不同沖擊次數(shù)對(duì)TC6鈦合金試樣表面殘余應(yīng)力的影響。從圖6(a)可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，TC6鈦合金表面殘余壓應(yīng)力增加；從圖6(b)可以看出，當(dāng)沖擊次數(shù)分別為1次、2次和3次時(shí)，TC6鈦合金表面平均殘余應(yīng)力相對(duì)于未處理表面殘余應(yīng)力(-31.4 MPa)分別增加了552.4、586.4和606.8 MPa，隨著沖擊次數(shù)的增加，表面殘余應(yīng)力的變化梯度有所減小，沖擊3次后表面殘余應(yīng)力平均值近似于鈦合金屈服強(qiáng)度的65.8%。

圖6 沖擊次數(shù)對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力的影響

2.2 表面微變形

圖7為激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC6鈦合金三維表面形貌及表面輪廓變化的影響，表5為單光斑內(nèi)輪廓變形曲線的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)數(shù)值。圖7(a)為未處理試樣的三維表面形貌及表面輪廓變化曲線；圖7(b, c, d)為不同激光沖擊能量對(duì)TC6鈦合金表面變形的影響。可以看出，隨著激光沖擊能量的增加，表面變形量增加，從表5可以進(jìn)一步看出，在單光斑內(nèi)，激光沖擊能量分別為5、6和7 J時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面輪廓變化幅值分別為3.8、5.6和6.1 μm。單光斑內(nèi)非搭接區(qū)域，即在距離光斑中心大約0.6 mm的區(qū)域內(nèi)，表面輪廓變化梯度較小，在光斑搭接區(qū)域，即在距離光斑中心大約0.6～1.5 mm的區(qū)域內(nèi)，表面輪廓變化呈現(xiàn)“V”形，這主要是由于對(duì)于本試驗(yàn)過(guò)程中采用的激光器為Nd∶YLF晶體，直徑為φ3 mm單光斑內(nèi)激光能量為平頂分布，能量波動(dòng)較小，形成的沖擊波壓力在光斑內(nèi)分布較為均勻，沖擊波壓力作用在鈦合金表面，最終造成光斑搭接曲率變形較大，非搭接區(qū)域表面變化梯度較小；同時(shí)激光能量增加，形成的沖擊波壓力變大，造成受沖擊鈦合金表面輪廓變化幅值增加。

圖7(c, e, f)為沖擊次數(shù)對(duì)TC6鈦合金表面變形的影響。可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，表面變形量增加，從表5可以進(jìn)一步看出，在單光斑內(nèi)，激光沖擊次數(shù)分別為1次、2次和3次時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面輪廓變化幅值分別為5.6、6.7和7.2 μm，幅值增加量有所減小，這主要是由于隨著沖擊次數(shù)增加，鈦合金表面加工硬化所引起的。

圖7 激光沖擊強(qiáng)化TC6鈦合金試樣的三維表面形貌及表面變形曲線

表5 激光沖擊強(qiáng)化TC6鈦合金試樣在光斑內(nèi)變形曲線的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)數(shù)值

圖8(a)為激光沖擊能量對(duì)TC6鈦合金表面粗糙度的影響。可以看出，激光沖擊能量分別為5、6和7 J時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面粗糙度值分別為0.739、0.924和1.115 μm，隨著激光沖擊能量的增加，TC6鈦合金表面粗糙度增加，這主要是由于激光沖擊能量增加，鈦合金表面輪廓變化波動(dòng)增加所致。圖8(b)為沖擊次數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，TC6鈦合金表面粗糙度增加。當(dāng)沖擊次數(shù)分別為1次、2次和3次時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面粗糙度值分別為0.924、1.152和1.394 μm。

圖8 激光能量(a)和沖擊次數(shù)(b)對(duì)TC6鈦合金表面粗糙度的影響

3 結(jié)論

本文選取TC6鈦合金為研究對(duì)象，采用10 Hz重復(fù)頻率條件下的Nd∶YLF平頂激光器對(duì)其進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，優(yōu)選了光斑搭接率，進(jìn)一步研究了激光沖擊能量和沖擊次數(shù)對(duì)鈦合金表面殘余應(yīng)力和變形的影響。主要結(jié)論如下：

1)Nd∶YLF平頂激光沖擊強(qiáng)化鈦合金表面時(shí)，應(yīng)選取30%的光斑搭接率，50%搭接率易造成鈦合金表面發(fā)生燒蝕，與已有研究工作選取50%搭接率相比，30%的搭接率有利于減少加工成本，提高加工效率。

2)隨著激光沖擊能量及沖擊次數(shù)的增加，試樣表面殘余壓應(yīng)力增加，其中沖擊3次后表面殘余壓應(yīng)力平均值近似于鈦合金屈服強(qiáng)度的65.8%。

3)隨著激光沖擊能量及沖擊次數(shù)的增加，試樣表面變形量增加，由于單光斑內(nèi)激光沖擊能量為平頂分布，非搭接區(qū)域表面變形梯度小，搭接區(qū)域呈現(xiàn)“V”形；此外，試樣表面粗糙度也相應(yīng)增加。