激光冲击喷丸对2195铝锂合金组织结构及抗应力腐蚀性能的影响

2019-05-15周楷，杨扬

铝加工 2019年2期

周楷，杨扬

（中南大学材料科学与工程学院，长沙410083）

0 前言

激光冲击喷丸是一种新型的金属材料表面处理技术，近年来已经得到了越来越广泛的应用和研究。已有的研究已经证实了激光冲击喷丸能够使金属材料表层晶粒细化，并显著提升材料的性能[1-2]。但目前而言，激光冲击喷丸诱生的材料表层晶粒纳米化仍是一个亟待解决的课题。Nie对TC11钛合金进行了不同次数的激光冲击喷丸处理，实验结果表明一次激光冲击后，TC11钛合金最表层只出现了约1μm的位错胞，三次冲击后才出现纳米尺寸的晶粒[3]；Lu最近发表在Acta上的研究结果表明，一次激光冲击后，LY12铝合金上表面的晶粒由10μm细化到3～5μm，5次激光冲击后其表面的晶粒细化到亚微米级别（100～200nm），未实现纳米化[4]。

2195铝锂合金以其低密度高强度的特性，常被应用于航空航天领域，但航空航天材料极端的使用环境又对铝锂合金提出了进一步苛刻的要求[5-6]。本文基于2195铝锂合金，成功制备出组织结构均匀的表层纳米化材料，利用透射电镜（TEM）等方法对材料的组织结构进行了观测，通过慢应变速率拉伸实验（SSRT）分析了激光冲击对2195铝锂合金抗应力腐蚀的性能。

1 材料和实验方法

1.1 实验材料

实验选用的材料为2195铝锂合金，由西南铝业提供。材料成分见表1。本文在相同的激光冲击参数下，对2195铝锂合金分别进行了单次和多次的激光冲击喷丸处理。激光冲击前对2195铝合金做固溶时效处理，固溶实验在盐浴炉中进行，温度510℃，保温30min，人工时效在180℃的条件下保温12h。

表1 2195铝锂合金的化学成分（质量分数/%）

1.2 激光冲击喷丸实验

当高能量密度的激光束照射在合金上表面时，会使烧蚀层材料瞬间等离子化。由于约束层的存在，这些急速膨胀的等离子体会在材料表面产生GPa级别的冲击压力，这些持续的冲击压力会使应力波在材料表层传导，从而带来组织结构的改变，进而影响材料性能。

本文中的激光冲击喷丸实验在高重复率钕玻璃激光器上进行，选专用的黑胶带作吸收层，1mm的流水作为约束层。经过多次尝试，最终确定的激光冲击参数如表2所示。

表2 激光冲击工艺参数

1.3 组织观察

利用FEI公司生产的Tecnai G2 20AEM透射电子显微镜对2195铝锂合金激光冲击喷丸处理后的微观组织结构进行观察分析，操作电压为200kV。为观测最表层的组织结构信息，本文选用机械减薄+离子束单面减薄的方法制备透射电镜薄膜样品。

1.4 残余应力测试

本次残余应力测试选用D8 Discover型X射线残余应力分析仪，采用侧倾固定法-交相关定峰法测量2195铝锂合金试样的表面残余应力，测试区域为激光冲击上表面，工作电压为40kV。限定测量误差在25 MPa以内，否则重新测量。在测试前对样品用乙醇进行超声清洗。

1.5 抗应力腐蚀性能测试

因为慢应变速率拉伸法（SSRT）对应力腐蚀开裂有较高的灵敏度，能够很好模拟实际介质环境，得到更准确的结果，所以本文选用慢应变速率拉伸试验研究激光冲击喷丸对2195铝锂合金应力腐蚀敏感性的影响。分别把试样放在腐蚀介质和惰性介质（空气）中进行慢应变速率拉伸腐蚀试验，应变速率设定为10-6s-1[7]。

为了模拟高浓度氯离子环境，应力腐蚀试验所用溶液为3.5%NaCl溶液。选用板状拉伸样，厚度为2mm。对中心20mm的标距段进行双面激光冲击喷丸处理。测定样品抗拉强度、延伸率和断裂时间。

2 实验结果与分析

2.1 透射电镜观察结果

2.2.1 一次激光冲击

图1为一次激光冲击喷丸处理后的透射电镜观察结果。从图1（a）表面位置处的明场像中可以清晰地看到，一次激光冲击后的2195铝锂合金表面出现了大量均匀分布的细小晶粒和位错胞，晶粒尺寸在40～150nm之间，位错胞尺寸在200～300nm之间。图1（b）为图1（a）中局部区域的放大图，可以看到晶界清晰，形状规整的等轴晶粒。图1（c）为该区域对应的选取衍射花样（SAED）图。图中所示的衍射花样呈现为环状，说明原始的粗大晶粒已经充分细化，并且取向呈随机分布。选取最表面处15个不同的视场进行统计分析，统计结果如图1（d）所示，平均晶粒尺寸为90nm，达到纳米级别。

图1 一次冲击试样的透射电镜观察结果

2.1.2 三次激光冲击

图2为三次激光冲击喷丸处理后的透射电镜观察结果。从图2（a）和图2（b）所示的明场像中可以看到，三次冲击后2195铝锂合金表面的微观结构以30～100nm的细小晶粒为主，已没有位错胞结构。图2（d）所示的晶粒统计结果表明，三次激光冲击后，2195铝锂合金表面晶粒平均尺寸为70nm。图2（c）的选取衍射结果为更加连续的环状花样，说明合金表面分布着大量随机取向的纳米晶粒。

图2 三次冲击试样的透射电镜观察结果

2.2 抗应力腐蚀性能

将未进行激光冲击和一次激光冲击处理的试样分别置于空气和3.5%的NaCl溶液中进行SSRT实验，应变速率设定为10-6s-1，得到的应力应变曲线如图3所示。可以看到在NaCl溶液中的2195铝锂合金试样延伸率和抗拉强度均低于空气中的，由此可见2195铝锂合金具有应力腐蚀敏感性。

不同的慢应变速率拉伸实验得到的各项力学性能指标如表3所示。可以看到激光冲击处理后的试样在空气中拉伸时，抗拉强度和伸长率最高，分别为362.15 MPa和12.79%；当置于NaCl溶液中时，抗拉强度和伸长率降低为326.34 MPa和11.41%；未进行激光冲击处理的试样不论在空气中还是NaCl溶液中进行拉伸时，其抗拉强度和伸长率的值都显著低于激光冲击处理试样，对应的值分别为50.07 MPa、12.79%和304.03 MPa、10.51%。对拉伸断口进行测量计算，发现激光冲击处理后的试样也具有较大的断面收缩率，在空气和NaCl溶液中断面收缩率分别为13.11%和12.02%。对应地，未进行激光冲击处理试样的断面收缩率分别为11.82%和10.51%，见图3所示。

图3 慢应变速率拉伸实验的应变曲线

将SSRT试验中得到的各项力学性能指标进行数学处理，可以得到应力腐蚀指数ISSRT。该指数与单项的力学性能指数相比能够更准确地反映出材料的应力腐蚀断裂敏感性，常常作为抗应力腐蚀性能的重要判据，其计算公式如下所示[8]：

其中σS和δS分别表示在溶液中拉伸时的抗拉强度和延伸率；σA和δA分别表示在空气中拉伸时的抗拉强度和延伸率。

计算结果表明激光冲击处理后的试样应力腐蚀因子ISSRT为18.9%，而未进行激光冲击处理的试样为22.1%。应力腐蚀因子越大说明该状态的材料具有更高的应力腐蚀断裂（SCC）倾向性，所以SSRT的实验结果表明激光冲击喷丸能够有效地提升2195铝锂合金的抗应力腐蚀性能。

表3 慢应变速率拉伸实验结果

2.3 残余压应力

激光冲击后合金表层发生塑性变形，塑性变形在微观上体现为晶格畸变，这些晶格畸变会产生残余应力。对激光冲击后的试样进行表面残余应力测定，测试结果表明激光冲击喷丸处理能够在2195铝锂合金表面引入残余压应力，一次冲击后，表面残余压应力为-199 MPa，三次冲击后，表面残余压应力达到-266 MPa。残余压应力的存在可以阻止裂纹萌生和降低裂纹扩展速率，能够有效改善材料性能[9]。三次冲击后的2195铝锂合金晶格畸变程更严重，因而会有更大的残余压应力数值。

3 分析讨论

3.1 微观组织演变

如上文所示的透射电镜观察结果所示，激光冲击后，2195铝锂合金表层的粗大晶粒演变为细小的纳米晶。激光冲击喷丸作为一种超高应变速率的金属表面处理方法，其作用于金属表面时，可以瞬间产生GPa级的峰值冲击压力，应变速率可以达到107s-1量级[10]。铝合金作为一种高层错能的金属，其塑性变形的机制主要为位错滑移机制，并且有文献报道在107s-1量级的超高的应变速率条件下，发生孪生的原子向孪生方向进行位置重排的时间不够，难以发生孪生变形[11]，因此这种超高应变速率加载下的晶粒细化应是一种基于位错演变动态过程。

关于超高应变速率下的晶粒瞬间细化机制，我们之前已经作了深入的研究，激光冲击2195铝锂合金的晶粒细化可以看作是位错向位错缠结，位错胞、亚晶演变，并通过旋转动态再结晶机制最终转化为具有大角度晶界晶粒的过程。三次冲击相对单次冲击而言，位错密度更高，位错胞和亚晶的的尺寸也更小，因而可以获得更加细小的晶粒。

3.2 抗应力腐蚀性能的提升

图3所示的结果表明激光冲击喷丸是提升2195铝锂合金抗应力腐蚀性能的有效方法。在应力腐蚀介质中，材料失效的方式为应力腐蚀断裂，整个失效的过程会经历裂纹的萌生、扩展、贯穿，直至断裂。残余压应力的存在会提升裂纹萌生的阈值，使裂纹难以萌生。同时残余压应力也会在裂纹扩展的阶段形成持续的阻力，对裂纹形成闭合效应，因此激光冲击诱生的表层残余压应力是抗应力腐蚀性能提升的重要因素。

在裂纹扩展的阶段，激光冲击引入的晶粒细化层也会起到一定的阻碍作用。因为细化的晶粒会使晶界比例大幅提升，不论是对于沿晶还是穿晶扩展的裂纹，大量的晶界都会使裂纹的扩展遇到重重阻力，使得裂纹难以长大和贯穿，从而难以发生应力腐蚀断裂。