激光冲击强化提高铜材料疲劳性能的研究

黄传勇

（中国民航飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307）

铜由于具有良好的导电、导热、耐磨、耐腐蚀性能，在航空系统中广泛应用于制造导电、弹性及抗磨元件。由于其工作环境的特殊性，在使用过程中常常受到损坏，因此对其进行强化处理研究至关重要。文献［1］对2种航空铝合金材料进行激光冲击强化试验，分析结果显示试件表面具有较大的残余压应力，材料内部有较高的位错密度，在中等加载强度下，试件的疲劳强度提高到2倍以上。文献［2］探讨了激光冲击处理的技术关键点，研究了激光冲击处理对铝合金疲劳寿命的影响；研究结果表明，在优选激光参数的条件下，激光冲击处理能显著地提高铝合金的疲劳寿命。文献［3］阐述了通过激光冲击强化在航空发动机叶片表面引入残余压应力，可以大幅度提高叶片的疲劳寿命。文献［4］研究了激光冲击强化在某型发动机叶片强化中的应用，总结了激光冲击强化技术与传统强化工艺相比所具有的优势；实验证明，冲击强化用于航空发动机叶片维修是可行的。文献［5］研究了激光冲击强化后的2组镍基高温合金（GH742）试样，并与未强化处理的试样进行对比；结果表明，激光冲击强化能提高镍基高温合金拉－拉疲劳寿命36倍以上，提高振动疲劳寿命24倍，强化后残余压应力影响层深度达10mm。文献［6］重点说明了激光冲击强化对金属显微组织及其机械性能的影响，指出激光冲击强化提高了材料表层的硬度、耐腐蚀性及疲劳强度，从而有效地改善了材料的综合机械性能。文献［7］研究了不同的约束层和激光脉冲功率密度对铝合金疲劳寿命的影响，疲劳试验结果表明，约束层冲击阻抗越大，激光脉冲功率密度越高，铝合金激光冲击处理后疲劳寿命的提高越显著。文献［8］首先研究了残余应力的作用，认为激光冲击强化产生的残余压应力降低了零部件承受的平均应力水平；然后利用位错理论分析了金属经激光冲击强化引起的显微组织变化，认为激光冲击强化在材料表层产生了大量位错、晶界以及亚晶界等缺陷，这些缺陷阻碍了位错的移动，使金属得到强化。可以看出，国内外采用激光冲击进行损伤愈合主要集中在宏观大试件上，而对于微试件的研究还比较少。

为了研究激光冲击强化提高铜材料疲劳性能的方法，本文运用激光冲击处理对疲劳损伤程度为0.5的铜薄膜试件进行表面处理，探求激光冲击处理的最佳激光参数。

1 试验概况

1.1 选用材料

实验材料选用0.025mm的工业用纯铜T2，化学成分、力学性能如下：w（Cu＋Ag）＝99.95%，w（Sn）＝0.006%，w（Pb）＝0.003%，w（P）＝0.007%，w（Zn）＝0.005，抗拉强度为385MPa，延伸率为6%，采用轧制方法。

1.2 试件制备

加工试件采用化学腐蚀制作工艺，试样形状和尺寸如图1所示，试件厚度为25μm。

图1 铜薄膜试件形状及尺寸

1.3 σ－N 曲线

在室温条件下，对原始铜薄膜试件进行脉动循环加载疲劳试验，应力比R＝0，载荷频率为20Hz，得到铜薄膜的σ－N 曲线，如图2所示。

图2 铜薄膜的σ－N 曲线

疲劳试验加载参数及寿命见表1所列。

表1 疲劳试验加载参数及寿命

图2中的实线为拟合数据得到的曲线。根据应力寿命公式，有

其中，σ为应力；N为疲劳寿命；C和m 均为材料常数。

将（1）式作适当的等价变形，可以得到新的σ－N 关系式，即

其中，C′和m′为新的材料常数。

根据（2）式，拟合的σ－N 方程如下：

1.4 激光冲击强化试验

激光具有可控性好及可选择性局部处理等优点，采用激光工艺对构件表面局部强化，提高其疲劳强度，延长使用寿命，是一种非常简便的方法。激光工艺参数有很多种，对于工艺参数的选择没有规范可依，通过试验对比进行选择是一种较好的方法。

对损伤程度为0.5的铜薄膜试件，在不同激光参数下进行冲击处理，对处理后的试件在脉动循环加载，应力比R＝0，载荷频率为20Hz的相同试验条件下进行疲劳试验，得到不同能量密度与脉冲个数下铜薄膜试件的剩余寿命，见表2所列。

表2 不同能量密度与脉冲个数下的剩余寿命

2 试验结果分析

2.1 脉冲个数对疲劳性能的影响

在5种脉冲个数下研究其对疲劳性能的影响。相对于原始试件的剩余寿命Nr＝6684周，运用GaussAmp公式进行非线性拟合，得到不同脉冲个数下的能量密度E与剩余寿命的关系，如图3所示。可以看出，在不同的脉冲个数下，剩余寿命随着能量密度的增加先增加后减小，在能量密度为5×103J／m2时剩余寿命最大。相对于原始试件的剩余寿命，试验中的25个点有12个在其之上，修复率为48%。

在能量密度为5×103J／m2时，5个试件均可以修复，修复率为100%。在较低能量密度和较高能量密度的条件下，试件的修复率均不理想，可见合理选择能量密度对于试件的修复有重要意义。

图3 不同脉冲个数下的修复效果图

2.2 能量密度对疲劳性能的影响

在5种能量密度下研究其对疲劳性能的影响，相对于原始试件的剩余寿命，运用GaussAmp公式进行非线性拟合，得到不同能量密度下的脉冲个数与剩余寿命的关系图，如图4所示。可以看出，在不同的能量密度下，剩余寿命随着脉冲个数的增加先增加后减小，在脉冲个数为30时剩余寿命最大。

图4 不同能量密度下修复效果图

相对于原始试件的剩余寿命，试验中的25个点有12个在其之上，修复率为48%。在脉冲个数为30时5个试件均可以修复，修复率为100%。在较低脉冲个数和较高脉冲个数的条件下，试件的修复率均不理想，可见合理选择脉冲个数对于试件的修复具有重要意义。

2.3 修复效果

根据表2数据绘制修复效果三维表面图，如图5所示。

图5 修复效果三维表面图

对于损伤程度为0.5的铜薄膜试件，能量密度在5×103J／m2时修复效果最佳，脉冲个数为30时修复效果最佳。不同能量密度与不同脉冲个数的组合具有不同的修复效果，合理选择激光参数可以达到修复损伤的目的。当激光束辐照到金属材料表面时，金属表层材料开始吸收激光能量，在吸收过程中产生等离子体。随着激光辐照的持续，等离子体层厚度、密度及温度都在不断上升，等离子体区达到比无约束条件下更高的压力。等离子体层喷射爆炸形成冲击波，传向金属材料表面。因此，金属表面受到比无约束条件下高得多的压力和更长的冲击持续时间。当冲击强度超过其动态屈服强度时，在金属表面形成一个塑性变形层。在冲击波造成的塑性层中存在着残余压应力，其位错密度显著增高。由于残余压应力在疲劳载荷中起着负平均应力的作用，延缓了疲劳裂纹的萌生。位错密度增高使材料屈服强度提高，并阻碍了位错运动，从而增大了裂纹产生的阻力。正是残余压应力、高密度位错因素的综合作用延长了材料的抗疲劳寿命。

3 结束语

本文针对国内外主要采用激光冲击对宏观大试件进行损伤愈合，而对微观小试件的损伤愈合的研究较少的情况，研究运用激光冲击处理对疲劳损伤程度为0.5的铜薄膜试件进行表面处理来提高其疲劳性能的方法。得到损伤程度为0.5的铜薄膜试件，激光强化处理的最佳能量密度为5×103J／m2，最佳脉冲个数为30，显著地提高了铜薄膜的疲劳性能。对于其他损伤程度下铜薄膜试件的最佳修复参数和不同损伤程度下铜薄膜试件的最佳修复参数有何种共同规律，还有待于进一步研究。

［1］范 勇，王声波，吴鸿兴，等.航空铝合金材料激光冲击强化实验研究［J］.激光技术，2003，27（4）：273－275.

［2］张 宏，唐亚新，余承业，等.铝合金激光冲击表面强化试验研究［J］.航空学报，1997，18（2）：248－251.

［3］周 磊，李应红，汪 诚，等.航空发动机叶片激光冲击强化技术的研究［J］.控制工程，2007，14（Z1）：174－178.

［4］李启鹏，何卫锋，仝崇楼，等.航空发动机叶片的激光冲击强化研究［J］.航空精密制造技术，2008，44（4）：37－39.

［5］何卫锋，李应红，周章文，等.激光冲击工艺对GH742镍基高温合金疲劳性能的影响［J］.材料热处理学报，2009，30（3）：42－45.

［6］武敬伟，花银群，陈瑞芳.激光冲击强化对金属显微组织及其机械性能的影响［J］.新技术新工艺，2007（6）：54－57.

［7］张 宏，余承业.激光冲击处理工艺因素对铝合金疲劳寿命影响的研究［J］.激光杂志，1999，20（1）：9－12.

［8］李 伟，李应红，汪 诚，等.激光冲击中应力状态和显微组织变化对金属疲劳性能影响［J］.航空精密制造技术，2009，45（3）：37－39.