1190 激光与红外第 46 卷 生残余压应力和微观组织变化, 从而提高其抗疲劳性能 [1-4] 由于其技术优势显著, 已成为国际抗疲劳制造研究的热点和前沿 [5] 然而由于钛合金叶片边缘厚度较薄 (1mm), 叶边部分在激光冲击强化过程中, 由于冲击波的反射与耦合, 抵消叶片表层塑性变形, 降低残

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1 第 46 卷第 10 期激光与红外 Vol.46,No 年 10 月 LASER & INFRARED October,2016 文章编号 : (2016) 激光应用技术 微激光冲击提高 TC17 钛合金高周疲劳性能研究 薛丁元, 何卫锋, 焦 阳, 周留成, 罗思海 ( 空军工程大学等离子体重点实验室, 陕西西安 ) 摘要 : 针对钛合金薄构件激光冲击强化过程中由于在叶背部分冲击波反射与耦合降低残余压应力的问题, 提出采用微激光冲击强化 (μlsp) 的方法对 TC17 钛合金进行强化, 利用高周疲劳实验验证其改善效果, 从残余应力和疲劳断口形貌观察两个方面讨论分析疲劳性能改善的原因 实验结果表明 : 与未处理试件相比, 微激光冲击强化试件疲劳强度提高了 32% 微激光冲击在钛合金试件表层诱导产生一定数值, 深度为 100μm 厚的残余压应力层 ; 在残余压应力的作用下, 疲劳裂纹源内移, 同时在其疲劳断口扩展区中有疲劳条带和二次裂纹, 这是微激光冲击后 TC17 钛合金试件疲劳性能改善的主要原因 关键词 : 激光技术 ; 微激光冲击强化 ;TC17 钛合金 ; 高周疲劳 ; 残余压应力中图分类号 :TG655 文献标识码 :A DOI: /j.isn StudyonhighcyclefatigueperformanceofTC17titanium aloy improvedbymicro scalelasershockprocesing XUEDing yuan,hewei feng,jiaoyang,zhouliu cheng,luosi hai (ScienceandTechnologyonPlasmaDynamicsLaboratory,AirForceEngineeringUniversity,Xi an710038,china) Abstract:Asthereflectionandcouplingofshockwaveatthebackofspecimensreducesresidualcompresivestres onthesurfaceoftitanium aloythincomponents,thetc17titanium Aloywasprocesedbythemicro scalelaser shockprocesing(μlsp),andtheimprovementefectwasverifiedthroughthehighcyclefatiguetests Theimprove mentreasonsofhighcyclefatigueperformancewereanalyzedfromresidualstresdistributionandfatiguefracturemor phology Theresultsshowthat,comparedwithuntreatedspecimens,thefatiguestrengthofthespecimenstreatedby μlspisimprovedby32% Residualcompresivestreslayerwith100μmthickandcertainvalueswasinducedon thesurfaceofthetc17titaniumaloyspecimensbyμlsp Undertheinfluenceoftheresidualcompresivestres,the cracksourcesmoveinward Simultaneously,therearesomefatiguestripsandquadriccracksinthepropagationzoneof thefatiguefractures,andthesearethemainreasonsofthehighcyclefatigueperformanceimprovement Keywords:lasertechnology;micro scalelasershockprocesing;tc17titaniumaloy;highcyclefatigue;compresive residualstres 1 引言 激光冲击强化是一种先进的表面强化技术, 通 过激光诱导产生的等离子体冲击波作用于靶材表面, 引起表层材料发生超高应变率塑性变形, 进而产 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划 (No 2015CB057400) 国家自然科学基金 (No , ) 资助 作者简介 : 薛丁元 (1992-), 男, 硕士研究生, 主要从事航空部件损伤修复与表面强化技术研究 E com 通讯作者 : 焦阳 (1991-), 男, 博士研究生, 主要从事航空部件损伤修复与表面强化技术研究 E com 收稿日期 : ; 修订日期 :

2 1190 激光与红外第 46 卷 生残余压应力和微观组织变化, 从而提高其抗疲劳性能 [1-4] 由于其技术优势显著, 已成为国际抗疲劳制造研究的热点和前沿 [5] 然而由于钛合金叶片边缘厚度较薄 (1mm), 叶边部分在激光冲击强化过程中, 由于冲击波的反射与耦合, 抵消叶片表层塑性变形, 降低残余压应力的问题, 严重制约激光冲击强化技术在钛合金薄叶片上的应用 为解决上述问题, 提出采用微激光冲击强化技术对钛合金薄构件进行处理 微激光冲击强化是在激光冲击强化基础上发展起来的一种新型表面强化技术, 其原理与激光冲击强化技术相同 由于其具有光斑直径小 (μm) 激光能量小 (mj), 影响层深度浅的技术特点, 已经广泛地用于薄膜构件 MEMS 构件的表面强化 [6-10] 但针对航空部件采用微激光冲击强化技术的应用研究较少 本文采用航空用 TC17 钛合金材料为研究对象, 对其进行微激光冲击强化处理, 通过设计高周疲劳试验, 不同冲击次数, 研究微激光冲击强化对 TC17 钛合金疲劳性能的影响, 并对强化机理进行讨论, 研究结果对提高钛合金薄构件的疲劳性能提供理论支持和技术支撑, 为保障飞行安全和战斗力提供重要作用 2 疲劳试验 2 1 试件制备疲劳试件按照中航工业标准 HB 金属材料轴向加载疲劳试验 中所规定的标准疲劳试件进行制备, 疲劳试件尺寸如图 1 所示 图 1 标准拉 - 拉疲劳试件 Fig 1Standardtensionfatiguespecimens 疲劳试件共两组 : 未处理试件和微激光冲击试件 为了降低疲劳试验结果的分散性, 每组 3 个试件 微激光冲击强化实验是在 Mianna-Q 型系统上完成的, 该系统如图 2 所示 微激光冲击强化功率密度为 3 7GW/cm 2, 脉宽为 10ns, 光斑能量为 85mJ, 光斑直径为 0 4mm, 双面冲击 为了优化应力分布状态, 选用如图 3 所示的 S 型冲击工艺路径 图 2 微激光冲击强化试验系统图 Fig 2Micro scalelasershockprocesingsystem 图 3 疲劳试件微激光冲击强化路径示意图 Fig 3SchematicdiagramofμLSPpathonfatiguespecimen 2 2 试验方法及结果 试验选用逐级加载法 (step loadingmethod), 仅仅需要一根试件就可以获得试样疲劳强度 疲劳试验选定的应力循环周次为 ΔN =1 10 6, 应力比 R =0 1 试件在应力比 R=0 1 ΔN = 循环周次下的疲劳极限 σ 为 : σ =σ lb + N l Δσ (1) ΔN 疲劳试验是在 QBG-100 型高频疲劳试验系统上完成 试验采用正弦波加载, 加载方式为轴向加载, 应力比 R =0 1, 加载频率为 85Hz, 试验温度为室温 首先对未处理试件进行试验, 考虑钛合金材料的力学性能, 选定 300MPa 为初始应力, 应力增量为 30MPa, 该试件没有失效继续增加应力水平, 直至在某一应力水平下出现疲劳失效, 则试验结束 如此进行试验, 可得到第一组的逐级加载示意图如图

3 激光与红外 No 薛丁元等微激光冲击提高 TC17 钛合金高周疲劳性能研究 所示 计算可得未处理试件的疲劳强度为 360 1MPa 与第一组试样相同, 选用同样的方法进行疲劳试验, 得到第二组试样的逐级加载示意图如图 5 所示 计算可得微激光冲击处理试件的平均疲劳强度为 475 2MPa 由试验结果可知, 与未处理试件相比, 微激光冲击可提高钛合金试件的疲劳强度达 32% 图 4 TC17 钛合金基体试件逐级加载试验示意图 Fig 4Schematicdiagramofstep-loadingmethod oftc17titaniumaloybasespecimen 为 ~135 0, 扫描步距为 0 10 /s, 计数时间为 1 s X 光管电压和电流分别为 30 0 kv 10 0mA, 准直管直径为 2mm 采用电化学腐蚀的方法对试样进行逐层去除减薄, 以此来完成微激光冲击强化试样残余压应力沿深度方向的测定, 腐蚀溶液为 HNO 3 (24%)+HF(14%)+H 2 O(62%), 腐蚀速率为 1cm 2 面积上 0 2~0 5μm/s 表 1 为 TC17 钛合金试样表面残余应力测试结果, 与未处理试样相比, 微激光冲击能够在试样表面诱导产生 MPa 的残余压应力 图 6 为不同冲击次数微激光冲击 TC17 钛合金试样残余应力分布, 从图 6(a) 中可知看出, 采用 3 7GW/cm 2 的功率密度冲击 1/3/5 次后, 试样表面的残余应力分别为 MPa/-418 1MPa/-451 4MPa, 说明试样表面的残余压应力值随着冲击次数的增加而增加, 但增加的幅度却在逐渐减小, 这是由于随着冲击次数的增加, 靶材试样表面的塑性变形逐渐饱和, 塑性变形更加困难, 从而引起残余压应力值的增加幅度逐渐减小 [15] 如图 6(b) 所示为靶材试样表层截面残余应力曲线, 残余应力随着深度的增加而降低, 直至最后稳定保持不变 从图中可以看出微激光诱导产生的残余压应力影响层深度为 100μm 左右, 与激光冲击强化相比, 影响层深度较浅, 适用于为薄构件 MEMS 微构件的表面强化 表 1 TC17 钛合金试样表面残余应力测试结果 Tab.1ResidualstresesonthesurfaceofTC17 titaniumaloyspecimens Number Laserparameters Methods Residualstreses/MPa 1 untreated 124 5±42 图 5 TC17 钛合金微激光冲击试件逐级加载试验示意图 Fig 5Schematicdiagramofstep-loadingmethod testingoftc17titaniumaloyafterμlsp 3 试验结果分析 3 1 残余应力测试已有研究表明, 激光冲击在试样表面诱导产生的残余压应力对于改善金属构件的疲劳性能具有重要作用 [11-14] 残余应力测定试验在爱斯特公司生产的 X-350A 型 X 射线应力测定仪上进行, 试验执行 GB 国标 测量方法为侧倾固定 Ψ 法, 每次测量采用 4 个 Ψ, 分别为 , 采用交相关法进行定峰 ; 采用 Cr-Kα 靶头辐射, 衍射晶面为 {213} 晶面, 应力常数为 -277MPa, 扫描 2θ 角范围 2 85mJ/0 4mm/1time μlsp ± mJ/0 4mm/3times μlsp ± mJ/0 4mm/5times μlsp ±78

4 1192 激光与红外第 46 卷 源内移 图 8 TC17 钛合金基体疲劳试件断口宏观形貌 Fig 8FracturemorphologyofTC17titaniumaloybasefatiguespecimen 图 6 微激光冲击 TC17 钛合金试样残余应力分布 Fig 6ResidualstresdistributionofTC17titanium aloyspecimenswithμlsp 3 2 疲劳断口形貌观察疲劳试件断口包含着疲劳试件从裂纹萌生到发生断裂整个过程的失效信息 对疲劳断口的形貌进行观察是一种分析疲劳试件断裂机制以及失效原因的有效手段 疲劳试件的断口观察采用 JEOLJSM-6360LV 型扫描电子显微镜 为了便于对疲劳试件断口进行形貌观察, 采用金相切割机将疲劳断口试样从疲劳试件上截取下来, 其截取试件如图 7 所示 图 7 疲劳试件截取试件图 Fig 7Cros sectionalgraphoffatiguespecimens 图 9 微激光冲击钛合金试件断口宏观形貌 Fig 9FracturemorphologyofTC17titaniumaloyspecimenafterμLSP 图 10 疲劳裂纹源区及早期扩展区域局部放大图 Fig 1Localamplificationfiguresoffatiguecrack initiationzoneandearlyextensionarea 图 11 为不同表面状态试件断口疲劳裂纹稳定扩展区的形貌图, 基体试件断口稳定扩展区中包含了大量的解理特征, 解理面和河流状花样清晰可见 河流状花样 实际上是由一系列的疲劳台阶所构成的形貌特征 微激光冲击试件疲劳断口扩展区中能够发现部分疲劳条带和二次裂纹, 疲劳条带是在一次循环加载结束的产物, 疲劳条带使疲劳裂纹扩展需要消耗更多的能量, 从而延长疲劳裂纹的扩展时间 ; 二次裂纹是试样内部的一些杂质 二相颗粒和晶界部位存在应力集中, 在疲劳循环载荷的作用下导致 TC17 钛合金沿着裂纹面撕裂, 从而形成二次裂纹能够延缓疲劳裂纹的扩展 [16] TC17 钛合金基体疲劳试件 微激光冲击试件的宏观疲劳断口形貌如图 8 9 所示, 从图中可以看出, 基体试件中出现了两个疲劳裂纹源 A 和 B, 微激光冲击试件中有一个疲劳裂纹源 C 图 10 为 A B C 三个疲劳源区的局部放大图, 从图中可以看出, 钛合金基体试件疲劳裂纹源从试件表面开始萌生并向试件内部扩展, 而微激光冲击试件的裂纹源位于次表层, 这是由于在微激光诱导产生的残余压应力的作用下, 致使疲劳裂纹

5 激光与红外 No 薛丁元等微激光冲击提高 TC17 钛合金高周疲劳性能研究 1193 参考文献 : 图 11 疲劳试件断口稳定扩展区形貌图 Fig 11Fracturemorphologyofstableextensionarea inthefatiguepropagationregion 微激光冲击在试件表面诱导产生的残余压应力是影响金属构件疲劳性能的关键因素 残余压应力是由于激光诱导产生的冲击波压力大于金属材料的屈服极限, 靶材试样发生剧烈塑性变形, 进而引起靶材试样发生晶格畸变引起的 一方面, 试样表面的残余压应力抵消了一部分外加载荷, 使得作用于金属构件的实际工作应力减小 ; 另一方面, 微激光冲击试件疲劳断口扩展区中有疲劳条带和二次裂纹, 这些疲劳条带和二次裂纹可以起到延缓裂纹扩展的作用, 这些是微激光冲击试件疲劳性能改善的主要原因 4 结论本文研究了微激光冲击对 TC17 钛合金高周疲劳性能的影响, 从残余应力和疲劳断口形貌观察两个方面对疲劳性能改善原因进行了分析讨论, 得出主要结论如下 : (1)TC17 钛合金基体试件的疲劳强度为 360 1MPa, 微激光冲击试件的疲劳强度为 475 2MPa, 与基体试件相比, 提高了 32%, 表明微激光冲击强化可以有效提高 TC17 钛合金试件的疲劳强度 (2) 微激光冲击强化在试件表层诱导产生了一定数值的残余压应力, 其影响深度达到了 100μm, 且残余应力幅值和影响层深度均随着冲击次数的增加而增大 (3) 与未处理试件相比, 在残余压应力的作用下, 微激光冲击试件的疲劳裂纹源内移, 同时在其疲劳断口扩展区中有疲劳条带和二次裂纹, 有效地降低了裂纹扩展速率, 延缓裂纹扩展, 提高金属构件的疲劳寿命 [1] CharlesSMontros,TaoWei,LinYe,etal.Lasershock procesinganditsefectsonmicrostructureandproperties ofmetalaloys:areview[j].internationaljournaloffa tigue,2002,24: [2] HEWeifeng,LIYinghong,LIWei,etal.Lasershockpee ningonvibrationfatiguebehaviorofcompresorblade [J].JAerospacePower,2011,26(7): (in Chinese) 何卫锋, 李应红, 李伟, 等. 激光冲击强化提高压气机叶片疲劳性能研究 [J]. 航空动力学报,2011,26(7): [3] ZHANGYongkang,YUShuisheng,YAOHongbing,etal. Experimentalstudyofshockwavesinducedbyhigj power pulsedlaserinaz31bmagnesium aloy[j].actaphysic Sinica,2010,59(8): (inChinese) 张永康, 于水生, 姚红兵, 等. 强脉冲激光在 AZ31B 镁合金中诱导冲击波的实验研究 [J]. 物理学报,2010, 59(8): [4] GUONaiguo,LUO Xinmin,HUA Yinqun,etal.The efectsoflasershockprocesingonmicrostructureand propertiesofmetal[j].materialreview,2006,20(6): (inChinese) 郭乃国, 罗新民, 花银群. 激光冲击处理对金属微结构及其性能的影响 [J]. 材料导报,2006,20(6): [5] JGalagher,T Nicholas,A Gunderson,etal.Advanced highcyclefatigue(hcf) lifeasurancemethodologies [R].AFRL-ML-WP-TR ,University ofdaytonresearchinstitute,2004. [6] ZHOUJianzhong,FAN Yujie,HUANG Shu,etal.Re searchandprospectonmicro scalelasershotpeening [J].ChineseJournalofLasers,2011,38(6): (inChinese) 周建忠, 樊玉杰, 黄舒, 等. 激光微喷丸强化技术的研究与展望 [J]. 中国激光,2011,38(6): [7] FANYujie,ZHOU Jianzhong,HUANG Shu,etal.Re searchonmechanicalresponseofcoppertreatedbymicro lasershockpeeningusingnanoindentationtechnique[j]. ChineseJournalofLasers,2011,38(6): (in Chinese) 樊玉杰, 周建忠, 黄舒, 等. 激光微喷丸强化纯铜表面的纳米压痕分析 [J]. 中国激光,2011,38(6):

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