强激光冲击强化对7075铝合金的硬度影响

王江涛，陈菊芳

（江苏理工学院材料工程学院，江苏常州213001）

强激光冲击强化对7075铝合金的硬度影响

王江涛，陈菊芳

（江苏理工学院材料工程学院，江苏常州213001）

采用GAIAR型Nd:YAG纳秒高功率激光器对7075铝合金进行激光冲击强化表面处理，借助高分辨透射电镜（TEM）对冲击后的表层进行微观组织观察，对冲击前后的试样进行了拉伸性能和微观硬度的对比测试.研究结果表明:激光冲击后7075铝合金表层微观硬度提高较大，尤其是4次冲击后硬度与未冲击相比提高29.6%，且较为均匀，硬化层的厚度接近1次冲击的4倍.激光冲击强化在铝合金表层诱导的高密度位错和晶粒细化是硬度提高的主要原因.

激光冲击；微观硬度；位错密度；晶粒细化

金属材料或零件在经过激光冲击强化之后，在表面形成形变硬化层，改变其表面状态.材料表面状态一般用表面完整性（SI：Surface integrity）来描述.它主要包括表面显微硬度、表面残余应力、表面粗糙度等物理量.它们对于材料在各种条件下的使用性能有着重要的影响.其中硬度是材料在外力作用下抵抗变形的能力，硬度的变化一直是激光冲击研究者关注的重点之一.空军工程大学周磊等利用Nd：YAG激光器对航空铝合金LY2进行了激光冲击强化处理，经过测试发现其硬度提高23.5%［1］.北京航空航天大学朱颖等采用脉冲能量20J的调Q掺钕玻璃激光对钛合金TA15进行不同次数的激光冲击强化，研究发现随着冲击激光冲击强化可以有效提高TA15的表面硬度，深度方向硬度由表及里逐渐降低；冲击次数增加会导致表面硬度和影响层的深度逐渐得到提高［2］.中科院沈阳自动化研究所朱灏等对金属钨进行激光冲击强化处理后发现当冲击次数达到3次时，硬度提高15%左右［3］.江苏大学任旭东等用激光冲击QT700后获得了590 HV的表面硬度，且硬度影响层达到1 mm［4］.通过上述研究可以发现激光冲击强化可以提高材料的表层硬度，但是对于7075铝合金材料硬度的影响研究鲜见报道.7075铝合金是7xxx系铝合金中较为常用的航空工业铝合金，其最大优点是比强度高.本文采用GAIAR型Nd：YAG纳秒高功率激光器对7075铝合金及其焊接件进行激光冲击强化，对冲击区的硬度变化和改性机理进行研究.

1　实验材料与方法

实验选用板厚为4 mm的7075-T6铝合金，其化学成分及其室温下力学性能如表1所示.

表1　室温下7075铝合金的组分表（wt.%）和力学性能

1.1激光冲击强化

激光冲击强化实验的激光器是江苏大学的GAIAR型Nd：YAG纳秒高功率激光器.参数如下：脉宽8 ns；波长1064 nm；光斑直径2 mm；脉冲能量9 J；冲击次数分别选择1、2、3和4次.为保证冲击时试样表面不被烧伤，用铝箔作为吸收层.采用1～3 mm厚的均匀流水层做约束层.

1.2性能检测

本文硬度测试采用HRS-150型数显电子维氏硬度计，测定硬度时，是以一定的试验力（本研究为1.96 N）将压头压入试件表面，保持一定的时间（本研究为20s）后卸除试验力，在试样表面留下一压痕.根据试验力F（N）和测得两个压痕对角线的算术平均值d（mm），用公式（1）计算求得维氏硬度（HV）.

为了观测激光冲击对铝合金微观组织的变化，制备直径为3 mm的试样，电解双喷后用JEM2100型高分辨透射电镜进行测试，其加速电压采用200 kV.在万能电子拉伸试验机上进行拉伸性能测试实验，拉伸速度为2 mm/min.每个测定值取8个试样的平均值，进行抗拉强度的测试.

2　实验结果与分析

2.1微观形貌测试

未激光冲击强化和4次冲击强化后的铝合金试样双喷后用JEM-2100透射电镜观察微观组织的变化，结果如图1所示，其中图1（a）和图1（b）分别为未冲击试样和4次冲击试样的明场像.从图1（a）可以看出未冲击铝合金试样存在较为粗大的β相，而且位错密度较低.激光冲击强化4次后β相变得细小而均匀，由于激光诱导的冲击波在材料的表层诱发了严重的塑性变形［5-6］，击碎了粗大的β相晶粒，达到细晶强化的效果［7］.同时，激光冲击强化致使晶格滑移，各种位错发生滑移和纠缠，导致试样局部位错密度升高，如图1（b）所示.

图1　铝合金的TEM微观组织形貌

2.2抗拉强度

图2　不同激光冲击强化次数下铝合金材料的应力应变曲线

激光冲击强化前后的拉伸应力应变曲线如图2所示，其中图2（a）为工程应力（E-Stress）和工程应变（E-Strain）的曲线图，图2（b）为真实应力（E-Stress）和真实应变（E-Strain）的曲线图.从两图中都可以看出4次激光冲击强化7075铝合金后弹性模量E、屈服强度σ0.2提高不明显.但是抗拉强度σb由冲击前的400 MPa提高到4次冲击后的550 MPa，提高了37.5%，应变率提高接近1倍.这与文献［8］和［9］激光冲击不锈钢以及焊接头的结论一致.正如微观组织观察的结果，激光冲击后铝合金表层晶粒得到细化，而晶粒的细化可以提高材料的工程抗拉强度［10］，且强化机理遵循Hall-Petch关系［11］.抗拉强度的提高有助于材料的疲劳性能的提高和寿命的延长.

2.3激光冲击强化后铝合金材料的硬度变化

不同次数下激光单点冲击强化后铝合金表面的硬度变化测试结果如图3所示.从图中可以发现，在光斑中心处，随着激光冲击次数的增加，硬度值不断增加，2次冲击比1次冲击的硬度增加4%，3次冲击比2次冲击硬度增加2%，4次冲击比前1次只增加了1%左右.同时可以发现随着激光冲击次数的增加，光斑直径范围内的硬度值趋于均匀分布，尤其是4次冲击后，硬度与基体相比提高29.6%，且较为均匀.冲击次数较少时不均匀的原因是激光光斑能量分布不均匀所致.当次数增加，弥补了能量不均的缺点，硬化效果开始均匀.图4为沿深度方向激光冲击强化对铝合金硬度影响的测试结果.可以发现，随着激光冲击次数的增加，硬度变化的梯度变小，变化趋于平缓.4次激光冲击强化对于硬度的影响层几乎是单次冲击的4倍.

图3　不同冲击次数下单点表面微观硬度分布

图4　不同冲击次数下微观硬度在深度方向的分布

2.4激光冲击强化后铝合金材料硬度变化机理分析

激光冲击后位错密度增高，根据位错密度与材料硬度关系［12］：

式中，a和b为材料有关的常数；为切变模量，由材料的拉伸试验可知材料的弹性模量E基本不变，泊松比υ是与材料有关的常数，导致切变模量G基本不变；因此位错密度ρ会影响激光冲击后的材料硬度.从2.1的测试结果可以发现激光冲击强化后位错密度大大增加，因此铝合金冲击后位错密度的提高是导致硬度提高的微观机理之一.

同时文献［14］提出的铝合金布氏硬度（HB）与材料的工程抗拉强度σb成正比关系.通过最小二乘法的拟合可以估算出HB与σb的关系如下：

根据文献［14］提出的HB和微观硬度HV之间存在如下关系：

由式（5）可知，当激光冲击强化诱发的表面剧烈塑性变形，引起位错纠缠产生亚晶，导致晶粒细化，材料的抗拉强度提高，材料表层的微观硬度将会随之提高，因此可知晶粒细化也是微观硬度提高的又一微观原因.

3　结论

（1）激光冲击强化由于冲击波诱发的剧烈塑性变形，导致材料表层晶粒细化，由于高应变率的作用使得材料表层的位错密度升高.

（2）材料表层的微观硬度提高与材料表层的位错密度升高有直接的关系，而晶粒细化能导致7075铝合金工程断裂强度提高，根据其和微观硬度的关系可知微观硬度也随之提高.

［1］周磊，李启鹏，薛德志，等.LY2铝合金的激光冲击强化区硬度和残余应力测试分析［J］.航空精密制造技术，2010，46（1）：43-45.

［2］朱颖，范博文，郭伟，等.激光冲击次数对TA15微观组织和硬度的影响［J］.北京航空航天大学学报，2014，40（4）：444-447.

［3］杨灏，赵吉宾，乔红超，等.金属钨的激光冲击强化研究［J］.光学学报，2014，34（B12）：245-249.

［4］任旭东，张永康，周建忠，等.QT700球墨铸铁曲轴的激光冲击强化试验［J］.江苏大学学报（自然科学版），2007，28（4）：289-292.

［5］王江涛，张永康，陈菊芳，等.强激光冲击对7075铝合金等离子弧焊接头电化学腐蚀行为的影响［J］.中国激光，2015（12）：106-115.

［6］LU J Z，LUO K Y，ZHANG Y K，et al.Grain refinement of LY2 aluminum alloy induced by ultrahigh plasticstrain during multiple lasershock processing impacts［J］.Acta Materialia，2010，58（11）:3984-3994.

［7］鲁金忠，罗开玉，冯爱新，等.激光单次冲击LY2铝合金微观强化机制研究［J］.中国激光，2010，37（10）：2662-2666.

［8］周留成，周磊，李应红，等.激光冲击强化对不锈钢焊接接头拉伸性能的影响［J］.焊接学报，2011，32（4）：52-54.

［9］钟金杉，鲁金忠，罗开玉，等.激光冲击对AISI304不锈钢拉伸性能和摩擦磨损性能的影响［J］.中国激光，2013（5）：62-68.

［10］陈晓，黄胜.晶粒细化对铸造Al-7Zn-2.5Mg-Cu合金性能的影响［J］.特种铸造及有色合金，2012，32（11）：991-995.

［11］CHEN X H，LU L，LU K.Grainsize dependence of tensile properties in ultrafine-grained Cu with nanoscale twins［J］.Scripta Materialia，2011，64（4）：311-314.

［12］HAKAMADA M，NAKAMOTO Y，MATSUMOTO H，et al.Relationship between hardness and grainsize in electrodeposited copper films［J］.Materialsscience&Engineering A，2007，457（1-2）：120-126.

［13］韩德伟.金属硬度检测技术手册［M］.2版（精）.长沙：中南大学出版社，2007：360，408.

［14］盖秉政.布氏硬度值与维氏硬度值之间的关系［J］.计量技术，1976（3）：24.

The Influence of Intensive Lasershock Peening on Microhardness of 7075 Aluminum Alloy

WANG Jiangtao，CHEN Jufang
（School of Materials Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

7075 aluminum alloy was processed by lasershock induced by GAIAR Nd:YAG nanosecond high power laser.Microstructures of them after lasershock peening（LSP）were observed by transmission electron microscopy（TEM）.Tensile properties and microhardness of 7075 aluminum alloy with LSP and without LSP were carried out and compared.The resultsshowed that the effect of LSP on microhardness of 7075 aluminum alloy was fairly useful and obvious.Especially with four times LSP，the microhardness was improved by 29.6%in contrast to thespecimens without LSP，and the distribution of them was more uniform and the thickness of the hardened layer was about 4 times as much as it without LSP.High density dislocation and grain refinement in 7075 aluminum alloy induced by lasershock processing are the main reasons for the increase of microhardness.

lasershock processing（LSP）；microhardness；density of the dislocations；grain refinement

TG174.1

A

1008-2794（2015）04-0034-10

2016-03-11

国家“863”计划子项目“典型产品运行安全寿命预测技术研究”（2012AA040104）；国家自然科学基金项目“结构系统疲劳失效相关性的宏细观分析与可靠性建模”（51275221）、“基于激光加热的施压成形机理和方法研究”（51105182）；江苏省青蓝工程人才项目；常州市应用基础研究计划项目“基于高功率光纤激光熔覆成形的组织与性能研究”（CJ20159051）

王江涛，副教授，博士，研究方向：铝合金及其焊接件的表面激光强化，E-mail：jxwjt@jsut.edu.cn.