激光冲击强化叶片的防层裂研究

吴俊峰 ，邹世坤 ，张永康 ，巩水利

（1.中国航空制造技术研究院，高能束流加工技术重点实验室，北京100024；2.东南大学机械工程学院，江苏南京 211189；3.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006）

激光冲击强化是一种先进的表面处理技术，诱导靶材表层深残余压应力和晶粒细化[1-2]，从而改善靶材的抗疲劳、抗腐蚀、抗摩擦磨损和抗外物损伤性能[3-6]。但激光冲击强化金属材料改性的同时可能存在层裂风险[7-8]，即当靶材内部的卸载波与背面反射稀疏波相互作用，形成的动态拉应力强度和持续时间达到一定阈值时，靶材内部将产生累积损伤断裂，即层裂[9]。

近年来，国内外学者对不同材料的层裂现象进行了诸多研究，如：激光冲击铝靶的层裂厚度[10]、TC4钛合金的层裂强度和层裂微观特性[11]、钨/钨界面的层裂强度和层裂断口[12]及激光冲击7050铝合金的层裂现象[7]等。但对实际叶片边缘强化时避免层裂的措施则未见报道。本文研究了发动机叶片的层裂现象、防层裂技术和防层裂机理，研究结果对激光冲击强化叶片的工业应用具有重要价值。

1 实验方法

如图1所示，采用Nd：YAG激光器分别对叶片的进气边和排气边进行激光冲击强化。激光工艺参数为：激光能量 50 J、脉宽 30 ns、波长 1064 nm、光斑直径4～5 mm。叶片的进气边和排气边的边缘强化区域为8～10 mm。

图1 激光冲击强化叶片示意图

在激光冲击强化过程中，将厚度为1～2 mm的去离子水帘作为约束层和吸波层、厚度为0.12 mm的3M铝箔作为吸收层和吸波层。叶片材料为β锻TC17钛合金，其化学成分和机械性能见表1；基体微观组织为α+β型双相网篮组织。热处理工艺为800℃/4 h固溶强化和630℃/8 h时效处理。

表1 TC17合金的化学成分和力学性能

2 实验结果及分析

2.1 叶片背面层裂现象

由图2可见，激光冲击波诱导叶片的背面产生了层裂现象，将大幅降低叶片的疲劳寿命。激光冲击叶片产生层裂的主要原因有以下二个方面：

（1）叶片表面的激光冲击波幅值大。激光冲击强化钛合金叶片产生塑性变形所需的激光功率密度在6 GW/cm2以上[13]，对于TC17钛合金来说甚至可达8 GW/cm2[14]。

（2）叶片边缘薄壁处的背面冲击波压力较大，且无防层裂措施。当强冲击波传播至薄壁结构背面时，幅值较大的压力波转换为拉力波，如果在叶片背面不采取任何措施的话，拉力波将全部反射传入叶片内部；当反射拉力波与冲击卸载波相遇时，会形成动态拉应力[15]。当动态拉应力的持续时间和幅值满足一定阈值时，叶片背面就会产生层裂。

图2 激光冲击叶片背面的层裂现象

2.2 “吸波层”防层裂技术

如图3所示，单光斑激光冲击叶片背面会产生铝箔鼓起的现象，说明铝箔吸波层产生了效果，吸收了叶片背面的压力波，从而降低了反射拉力波幅值。同时，铝箔鼓起是由于冲击波从叶片到铝箔、再到空气的传播过程中造成的，这是因为压力波可从叶片背面穿过铝箔胶带上的粘胶到达铝箔表面，但在铝箔与空气界面反射成拉力波后就无法再通过粘胶，因为其粘附强度低于拉力波的强度，而拉力波导致铝箔与叶片脱离，此时易产生层裂的拉力波被铝箔捕获，在铝箔上反复震荡形成了圆形波纹。

图3 单光斑激光冲击叶片背面铝箔形貌

由于铝箔对拉力波产生的损耗和陷阱作用，故采用铝箔作为吸波层能起到很好的保护作用，但铝箔鼓起区域大于光斑区域，鼓起处对冲击波而言已成为自由反射面，且随着激光冲击的进行，铝箔鼓起区域会越来越大，最后成片鼓起，完全丧失了吸波层的保护作用，导致铝箔对相邻光斑产生的冲击波捕获作用减弱。为解决该难题，对叶片背面采用了铝箔加水帘的吸波层技术（图4）[16]，得到的激光冲击强化叶片背面铝箔形貌见图5。可看出，叶片背面铝箔表面光滑平整、无鼓起现象，减少了冲击波在叶片背面的反射，提高了激光冲击强化效果。

图4 采用铝箔加水帘的吸波层技术进行激光冲击强化叶片

图5 铝箔加水帘吸波层激光冲击强化叶片背面铝箔形貌

2.3 防层裂机理

图6是在不同的吸波层情况下，冲击波在叶片内部的传播和反射示意图。可见，采用多层吸波层后，增加了叶片后部声阻抗，减少了反射波在叶片背面与铝箔接合面的反射，且增强了透射。冲击波在叶片背面的界面反射系数可表示为[16]：

式中：Z1和Z2为材料声阻抗；ρ为材料密度；C为材料声速。已知，钛合金密度为4500 kg/m3，声速为4000 m/s；铝箔密度为 2784 kg/m3，声速为 5370 m/s；水的密度为1000 kg/m3，声速为1461 m/s；空气密度为 1.29 kg/m3，声速为 340 m/s。

如图6a所示，当钛合金叶片背面无吸波层时，高压冲击波在钛合金自由表面反射条件为钛合金和空气，根据式（1）、式（2）可计算得到冲击波界面反射系数R=-1，此时高压冲击波全部转换为反射拉力波强度，且强度值大于钛合金层裂强度，故使钛合金发生了层裂。

如图6b所示，当钛合金叶片背面仅粘合铝箔吸波层时，冲击波界面反射条件为钛合金和铝箔、铝箔和空气，此时冲击波在钛合金和铝箔界面处的反射系数R=-0.09、透射系数T=0.91，即91%的冲击波压力传入铝箔内，故钛合金反射波强度较小，避免了钛合金发生层裂。另外，由于冲击波在铝箔和空气界面处的反射系数R=-1，铝箔内的反射波强度为冲击波强度的91%；当铝箔内的强反射拉力波到达钛合金和铝箔界面处时，因拉力波强度大于铝箔与钛合金背面的粘合强度，最终使铝箔产生了气泡（图 3）。

如图6c所示，当钛合金叶片背面粘合了单层铝箔和均匀去离子水帘的吸波层后，冲击波在界面处的反射条件为钛合金和铝箔、铝箔和水，此时冲击波在钛合金和铝箔界面处的反射系数R=-0.09、透射系数T=0.91，即91%的冲击波压力传入铝箔内，钛合金反射波强度较小，避免了钛合金发生层裂。同时，冲击波在铝箔和水界面处的反射系数R=-0.82、透射系数T=0.18，透射波被流动的去离子水带走，无反射，但铝箔内的反射波强度为冲击波强度的75%（0.91×0.82），故可降低或消除铝箔气泡（图 5）。

图6 不同吸波层下的冲击波在叶片内的传播和反射示意图

3 结论

本文采用吸波层技术对叶片进行激光冲击强化，研究了叶片的防层裂技术和防层裂机理，得到如下结论：

（1）激光冲击强化钛合金叶片表面冲击波幅值大且叶片背面无吸波层，导致叶片背面产生层裂。仅采用铝箔吸波层技术进行单光斑激光冲击叶片，叶片背面铝箔产生鼓起和圆形波纹，不能有效防止大面积激光冲击强化叶片层裂现象。

（2）采用铝箔+水帘吸波层技术进行激光冲击强化叶片，叶片背面铝箔光滑平整，有效提高了大面积激光冲击强化叶片效果。其防层裂机理为：大量冲击波传入铝箔内部后被水帘带走，有效降低了靶材和铝箔内部的反射波幅值。

参考文献：

[1]ZHANG Y K，LU J Z，REN X D，et al.Effect of laser shock processing on the mechanical properties and fatigue lives of the turbojet engine blades manufactured by LY2 aluminum alloy[J].Materials and Design，2009，30（5）：1697-1703.

[2]PEYRE P，FABBRO R，MERRIEN P，et al.Laser shock processing of aluminium alloys.Application to high cycle fatigue behaviour[J].Materials Science and Engineering：A，1996，210（1-2）：102-113.

[3]BERGANT Z，TRDAN U，GRUM J.Effects of laser shock processing on high cycle fatigue crack growth rate and fracture toughness of aluminium alloy 6082-T651[J].International Journal of Fatigue，2016，87：444-455.

[4]LU J Z，QI H，LUO K Y，et al.Corrosion behaviour of AISI 304 stainless steel subjected to massive laser shock peening impacts with different pulse energies[J].Corrosion Science，2014，80：53-59.

[5]LUO K Y，WANG C Y，LI Y M，et al.Effects of laser shock peening and groove spacing on the wear behavior of non-smooth surface fabricated by laser surface texturing[J].Applied Surface Science，2014，313：600-606.

[6]SPANRAD S，TONG J.Characterization of foreign object damage (FOD)and early fatigue crack growth in laser shock peened Ti-6AL-4V aerofoil specimens[J].Procedia Engineering，2010，2（1）：1751-1759.

[7]LIU Qianchu，DING K，YE L，etal.Spallation-like phenomenon induced by laser shock peening surface treatment on 7050 aluminum alloy[C]//Structural Integrity and Fracture International Conference.Brisbane，2004：235-240.

[8]LIU Q，YANG C H，DING K，et al.The effect of laser power density on the fatigue life of laser-shock-peened 7050 aluminium alloy [J].Fatigue and Fractureof Engineering Materials and Structures，2007，30 （11）：1110-1124.

[9]JARMAKANI H，MADDOX B，WEI C T，et al.Laser shock-induced spalling and fragmentation in vanadium[J].Acta Materialia，2010，58（14）：4604-4628.

[10]庄仕明，王春彦.脉冲激光作用下铝靶的层裂[J].高压物理学报，1993，7（1）：61-65.

[11]TYLER C，MILLETT J C F，BOURNE N K.Spallation in Ti-6Al-4V:Stress measurements and recovery[C]//Conference of the American Physical Society Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter.Baltimore，2005：674-677.

[12]HU Lili，MILLER P，WANG Junlan.High strain-rate spallation and fracture of tungsten by laser-induced stress waves[J].Materials Science and Engineering：A，2009，504（1-2）：73-80.

[13]许海鹰，邹世坤，车志刚，等.激光冲击次数对TC4氩弧焊焊缝微结构及性能的影响 [J].中国激光，2011，38（3）：0303002.

[14]邹世坤，郭恩明，李斌.发动机整体叶盘的激光冲击强化技术[J].中国激光，2011，38（6）：0601009.

[15]MAYER A E，KHISHCHENKO K V，LEVASHOV P R，et al.Modeling of plasticity and fracture of metals at shock loading[J].Journal of Applied Physics，2013，113（19）：771-791.

[16]CHE Zhigang，GONG Shuili，CAO Ziwen，et al.Theory analysis and experiment investigation of laser shock processing on titanium alloy blade [J].RareMetal Materials and Engineering，2011，40（S4）：235-239.