钛合金激光冲击强化技术的研究与应用

赵恒章，侯红苗，贾蔚菊，李 磊，洪 权，毛小南

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)



钛合金激光冲击强化技术的研究与应用

赵恒章，侯红苗，贾蔚菊，李 磊，洪 权，毛小南

(西北有色金属研究院，陕西 西安 710016)

激光冲击强化是一种新型表面强化技术，能够在材料表层产生残余压应力，提高结构件的疲劳强度、表面硬度，延长其疲劳寿命，在钛合金结构件中应用前景广阔。介绍了激光冲击强化的基本原理和特点，并结合国外研究现状，着重分析了我国钛合金激光冲击强化技术在工艺基础研究以及提高疲劳强度、改善焊缝应力状态、表面纳米化、强化孔结构、修复及再制造受损件等方面的研究现状，并指出了该技术在钛合金工程化应用方面需解决的关键问题。

钛合金；激光冲击；表面强化；应用

0 引 言

钛合金是重要的结构材料，因具有无磁、轻质、比强度高和耐蚀等特点，且易于满足轻量化、强韧化和低能耗等要求而被广泛应用。然而，钛合金具有较高的缺口敏感性，结构件易发生疲劳断裂现象。因此如何提高钛合金结构件的疲劳强度，延长其服役寿命，备受人们关注。激光冲击强化技术是利用激光诱导产生的高功率密度应力波，使金属表面层产生塑性变形，导致位错密度增加，产生残余压应力，从而提高硬度和疲劳寿命等性能的新型表面强化方法[1-5]。我国在激光冲击强化技术研究方面已经取得了一定成果，近年来已开始在钛合金方面进行探索性研究。

本文介绍了激光冲击强化的基本原理和特点，总结了激光冲击强化技术在工艺研究和应用研究方面取得的成果，指出了我国激光冲击强化技术存在的问题和发展方向，为该技术在钛合金中的应用提供参考。

1 激光冲击强化的基本原理和特点

1.1 激光冲击强化的基本原理

激光冲击(Laser shock peening，LSP)又称激光喷丸(Laser peening)，其过程如图1所示。在激光冲击过程中，高功率密度、短脉冲的激光束辐照到工件，吸收层充分吸收能量在极短时间内(ns量级)形成一个高温高压的等离子体层，受约束层约束，等离子体层积聚到一定密度和厚度时发生爆炸形成冲击波。冲击波峰值压力一般为数个GPa[6]。激光冲击强化是利用强激光诱导的高达数GPa的冲击波压力使材料表层以极高的应变速率发生变形和动态屈服，产生微观塑性变形，形成残余压应力层和硬化层，同时伴随位错、孪晶等晶体缺陷的产生。激光冲击强化产生的残余压应力和硬化层能够明显的延缓裂纹的萌生，而位错密度的增高和位错缠结使材料的屈服强度获得提高，进一步阻碍了位错的运动，增大了裂纹产生的阻力，从而使得材料表层获得强化，有效地改善了金属材料的力学性能，如疲劳寿命、硬度、耐磨性、抗外物损伤能力、热稳定性等[7-9]。

图1 激光冲击过程示意图Fig.1 Schematic diagram of laser shock peening

激光冲击属于机械应力，只是引起材料表面发生塑性变形。然而这种作用力在时间和空间上都是非均匀、非线性的。随着激光作用时间增加到一个脉宽，应力值也由零达到峰值，如图2所示。

图2 激光冲击材料表面应力随激光作用时间的分布示意图Fig.2 Schematic diagram of pressure distribution on surface of material with the time of laser shock peening

应力与距光斑中心的距离符合高斯分布，最大应力值位于光斑的中心，应力值随距离光斑中心的远近而变化，距离光斑中心越近，应力值越大。任意时刻、任一点的应力值可以由下面的公式来计算[10]：

(1)

式中,P(t)为激光脉冲作用t时刻的应力值，GPa；r为距离光斑中心的距离，mm；R为光斑直径，mm。

1.2 激光冲击强化的特点

作为高能束加工技术，相对于传统强化技术，激光冲击强化优势十分明显，主要表现在以下几点[11-13]。

(1)激光冲击波的压力达到数GPa，能形成更深更大的残余压应力层，使材料表面晶粒细化甚至出现纳米晶粒。冲击获得的残余压应力影响层可达1～2 mm，是喷丸的5～10倍。

(2)由于激光能精确控制和定位，光斑大小和形状可调，特别适合有应力集中的倒角、焊缝以及小孔、沟槽等部位的处理。

(3)激光冲击无热损伤，工艺参数可控，处理后基本不改变被处理零部件的表面光洁度。因而更适合于对表面粗糙度和变形特别敏感的零部件，如发动机叶片。

2 钛合金激光冲击强化的研究与应用

20世纪90年代以前，激光冲击强化主要用于铝合金和钢结构件的研究，90年代后期，随着高功率激光器制备技术的突破，调Q技术以及锁模技术的成功应用，使激光冲击强化技术真正走到实用阶段。美国于1997年建成了第一套用于商业应用的成套激光冲击强化系统，开始对TC4钛合金涡轮发动机叶片的激光冲击强化，以提高叶片表面压应力，取得了良好的强化效果[14]。随后GE公司也开展了TC4钛合金涡扇发动机叶片的激光冲击强化应用研究，大幅度提高了其抗外物损伤能力和疲劳寿命。2005年，研制激光冲击强化系统的MIC公司获得美国国防制造最高成就奖。美国将该技术列为第四代战机发动机关键技术，足见该技术的实用价值[15]。

我国在“九五”期间，开展了2024铝合金、1Cr18Ni9Ti、GH30、TC4等材料的激光冲击试验，在铝合金、不锈钢等材料上取得了很好的试验效果，但由于当时激光器的峰值功率水平较低，未能有效强化钛合金[16]。“十五”期间在提高激光器水平和优化工艺的基础上，TC4钛合金转子叶片的激光冲击试验获得了成功。目前，我国钛合金的激光冲击强化技术仍处于理论研究和工程应用探索阶段，相当于美国20世纪80～90年代的水平。

2.1 钛合金激光冲击强化技术的工艺研究

激光冲击强化技术分单次冲击和多次冲击，工艺参数包括脉冲能量、脉宽、光斑直径等。

乔红超等人[17]通过单次冲击研究了脉冲能量、约束层厚度、脉宽对TC4钛合金强化效果的影响，结果表明，材料表面硬度和残余压应力值随脉冲能量的增大而增大，水约束层厚度对残余压应力值也有较大影响，存在一个最佳厚度，脉宽达到一定值后，冲击效果不明显。罗新民等人[18]分析了冲击过程中TC4钛合金微观组织的响应，指出了不同脉冲能量下，α相和β相有不同的形变强化机制，存在不同的位错增殖形式。

任旭东等人[19]对TC4钛合金进行了多次激光冲击，发现残余压应力随着冲击次数的增加而增大，但当冲击深度达到一定厚度时，继续增加冲击次数，残余应力增加的幅度不再明显。激光冲击后TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度均获得了提高，且两者强度差也大于未进行冲击的试样。Ti-17、TA15钛合金经多次激光冲击后表层的组织发生变化，形成了高密度位错，在相界附近有大量位错缠结、切割，交错分布[20-21]。X射线布拉格衍射峰的宽化明显增强，说明材料表层发生了明显的塑性变形。

以上激光冲击研究结果表明，钛合金经激光冲击后在材料表层形成了残余压应力层，硬度和强度得到提高，组织得到细化。对于钛合金，要获得高的残余压应力，激光冲击次数以3～5次为宜，继续增加冲击次数，对残余压应力贡献不大，反而会引起应力屏蔽。钛合金单次冲击硬化层深度约200 μm，3～5次冲击后，硬化层深度能达到500 μm以上。

2.2 钛合金激光冲击强化技术的应用研究

目前，激光冲击强化技术在钛合金中的应用主要集中在结构件疲劳寿命、高温钛合金热稳定性、焊缝表面应力状态改善、纳米化工程、微动疲劳及孔结构强化、损伤件的修复与再制造方面。

国内学者对激光冲击强化后的TC4、TC6、TiAl合金叶片、叶盘以及齿轮的高周、高温疲劳性能进行了研究[22-24]，结果表明，随温度的升高，材料表层的残余应力大幅度下降，但应变硬化表层和微观结构受温度的影响却非常小，在高温下保持下来的应变硬化和微观结构同样是疲劳增益的主要因素。激光冲击强化后零件的疲劳寿命提高约2～6倍。

贾蔚菊等[25]研究了Ti834高温钛合金经激光冲击强化前后热稳定性能的变化，结果表明，经激光冲击强化后的试样在600 ℃×100 h热暴露后，相比未LSP处理试样，合金强度显著提高，但塑性进一步降低。主要原因是材料表面增殖的位错为氧向基体内部扩散提供了更多的通道。

焊接接头是金属设备构件中的薄弱环节。日本东芝公司将激光冲击强化技术用于核反应堆压力容器、管道接头等焊缝的抗应力腐蚀裂纹方面，其采用的是小能量小光斑(光斑φ0.8 mm，能量200 mJ，脉宽8 ns)、无吸收层的高搭接率工艺，极大的提高了焊缝抗应力腐蚀能力。钛合金焊接方式有氩弧焊、激光焊、电子束焊接和等离子焊接。研究表明[26-29]，钛合金焊后残余应力可达到屈服强度的50%～80%，高能束焊接后其焊接残余应力可达到屈服极限，这些残余应力表现为拉应力，严重影响接头寿命。钛合金焊接接头经LSP处理后，热影响区硬度明显提高，焊缝表面应力状态发生改善，残余拉应力转变为压应力，降低了裂纹扩展的有效驱动力，因而可延长焊接接头的疲劳寿命。

多次LSP处理可使钛合金表层材料晶粒细化。研究表明[30-32]，增加激光冲击次数有利于晶粒进一步细化，形成纳米晶，但冲击次数增加到一定程度，晶粒尺寸的变化不再明显，但表层纳米晶的均匀程度获得了提高。TC11钛合金经激光冲击处理10次后，钛合金样品表层形成了一层平均尺寸为20～100 nm的纳米晶粒；TC6钛合金经3次激光处理后，主要形成100～200 nm亚微米晶粒，冲击5次后形成40 nm左右、均匀分布的晶粒。

飞机、舰船等结构紧固孔的数量惊人，应力集中的紧固孔在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹。美国通过外光路的控制，将圆形光斑转换为环形光斑。强化小孔时，使环形光斑的内径稍大于孔直径，不但使小孔边缘得以强化，还避免了冲击波造成的孔角塌陷；强化大孔时，可以利用相对小直径的光斑沿大孔边缘进行扫描式的强化。此外，在孔内放置反光镜，可以实现孔角和孔内壁的同时强化。目前国内仅开展了铝合金和钢材的紧固孔、均压孔研究，冲击后疲劳寿命提高了3.5倍。钛合金在紧固孔的激光冲击强化仍处于探索阶段。

激光冲击强化技术目前在飞机损伤叶片的修复与再制造产业化中已经获得重大突破。钛合金叶片的激光冲击再制造，其成本约为新叶片的1/10～1/4，即节约生产成本75%～90%，利润将超过50%，技术经济效益显著。目前仅有美国将激光冲击强化技术用于军机和民机生产线[33]。我国在钛合金叶片如TC4、TC6转子叶片的激光冲击强化一直没能取得实质性的效果，仍处于工艺探索阶段。激光冲击强化钛合金叶片这种薄壁结构件时，很难实现对不规则型面叶片边缘有效强化而防止叶片变形。采用双光束对冲的方式能有效防止单面冲击引起的变形，但压力波背面反射后会变成拉力波，导致材料内部发生层裂，此外，钛合金叶片经双光束对冲后有明显的冲击痕迹。

3 需解决的关键问题

3.1 高稳定性的大功率激光器及处理系统

相比铝、钢等金属，钛合金动态屈服强度高，需要更高的峰值功率密度才能有效强化。激光冲击强化技术的发展离不开短脉冲、高能量、高稳定性激光器的发展，钕玻璃激光器和Nd：YAG激光器在钛合金激光冲击领域均有应用[34]。钕玻璃激光器相比Nd：YAG激光器的缺点是冷却系统庞大复杂，重复频率也比较低，但其优点是输出的脉冲能量很大，可达50 J以上。目前，国外对高重复频率的大功率激光器禁运，仅美国能够研制生产型激光冲击强化装备并将之用于生产，美国MIC已生产出激光光束移动而零件不动的强化处理系统，用于难以夹持的大型零件以及已装配的零件。另外，美国已开展了圆形、方形、椭圆形激光光斑的研究，并在激光光传导方面申请了诸多专利。

3.2 发展新型涂层材料和涂层涂覆与去除工艺

激光冲击强化中一般都要在工件表面增加吸收保护层，通常采用的是特种黑漆或者铝箔、黑胶带[35]。采用黑漆的优点是对各种不规则曲面容易贴合，缺点是在喷涂后需要等待其干燥且去除麻烦；而黑胶带、铝箔则存在贴合性不好，多次冲击时重复定位差等缺点，影响强化质量。发展柔性贴膜、水溶性涂层等不同约束条件下的涂层及去除工艺是迫切需要解决的现实问题。

3.3 进一步完善激光冲击强化工艺研究

国内对激光冲击强化工艺的研究还不够完善，尤其是钛合金。对冲击次数、光斑大小、激光能量、脉宽、搭接方式以及约束层和保护层厚度等缺乏系统的研究。在计算模型建立、残余压应力场预测、有限元三维仿真方面处于摸索阶段。美国在20世纪90年代已完成了以上研究，近年来深入研究了微细尺度下材料经激光冲击强化后残余压应力场的表征方法，开展微细激光冲击强化技术的研究，为激光冲击强化的研究开辟了一个新的领域，该技术在微机电系统零部件强化方面应用前景广阔。

3.4 激光冲击强化效果的评价和检测手段

钛合金叶片双面冲击时两面残余应力不平衡容易导致叶片产生应力变形，需要发展在线监测、反馈和控制技术以控制整个冲击过程的质量。

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Research and Application on Laser Shock Peening of Titanium Alloy

Zhao Hengzhang,Hou Hongmiao,Jia Weiju,Li Lei,Hong Quan,Mao Xiaonan

(Northwest Institute for Nonferrous Metal Research,Xi’an 710016, China)

Laser shock peening (LSP) is a novel surface treatment technique which is capable of introducing compressive residual stress near the surface layers of the materials, then the fatigue properties and surface strength of the alloy can be improved largely. In this paper, the basic principle and characterization of LSP was introduced, the research situation of the LSP in the field of fatigue strength, improve the stress state of welding seam, nanocrystalline, pore structure strengthening, repair and remanufacturing were analyzed deeply. Finally, the key problems that needed resolved for the engineering application of LSP in titanium alloys were pointed out.

titanium alloy; laser shock peening;surface strengthening; application

2016-04-06

国际科技合作与交流计划(2015KW-020)

赵恒章(1974—)，男，高级工程师。

TG146.2+3

A

1009-9964(2016)04-0007-05