激光冲击强化对TC11钛合金焊接接头层深残余应力的影响*

2023-10-07祝少华符利兵黄晓江

焊管 2023年9期

张超，张虎，周云，祝少华，芦琳，符利兵，黄晓江

（1.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018； 2.中国石油宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡 721008；3.中国石油陕西销售公司，西安 710077）

0 前言

TC11 是一种马氏体型α+β 双相热强型钛合金，在高温下仍可以保持较高的力学性能，已广泛用于航空等领域[1-3]，主要用于制造航空发动机的压气机盘、叶片、环形件、鼓筒和紧固件等关键零部件。在受到热、力等交变载荷的作用时，关键零部件会发生磨损、断裂或疲劳破坏[4-8]。表面强化技术是通过涂层法、化学热处理及机械硬化处理等，优化材料表面的组织结构与性能，使表层获得较大的残余压应力、硬度和加工硬化层，从而有效提高材料的耐腐蚀性能、疲劳性能及抗摩擦磨损性能，最终显著提高材料或构件使用寿命[9-11]。激光冲击强化技术相比其他表面强化技术，具有无接触和良好可控性等优点，成为材料表面改性领域的研究热点。目前，国内学者对钛合金表面激光冲击强化技术做了大量研究[12-17]，结果表明激光冲击强化后，位错在冲击波的作用下发生了滑移、重排，先后呈现出高密度位错、亚晶和纳米晶的微观特征，硬度也显著提高，在表面形成了残余压应力，但对钛合金焊接接头沿层深的残余应力分布研究较少。

本研究选用TC11 钛合金进行焊接，对激光冲击强化后的焊缝金属，通过电解抛光的方式获取不同的层深，采用侧倾法研究激光强化冲击对TC11钛合金焊接接头不同层深残余应力的影响，测试残余应力大小及层深分布梯度，为TC11 钛合金焊接接头残余应力调控及表面的强化处理提供依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用光纤激光将规格为60 mm×50 mm×5 mm的TC11 钛合金试样焊接在一起，焊缝位于试样中心，随后采用LAMEBR-08 激光发生系统对试样进行激光冲击强化。为避免大功率脉冲烧蚀表面，在焊缝表面覆盖0.1 mm 的铝箔作为吸收层，同时采用2 mm 厚去离子流动水为约束层，以便增强激光冲击的强化效果。激光冲击试验参数见表1。

表1 激光冲击试验参数

1.2 试验方法

为了获取良好、无干扰的层深，试验采用电解电化学抛光方法，通过阳极溶解逐步使试样平整，同时没有外界载荷的干扰，不会引起金属的表面变形。

使用POLISHER 8818 V-3 电解抛光仪，腐蚀头的直径为8 mm，抛光液为900 mL 甲醇+100 mL 高氯酸，采用恒流模式，电压为40 V。每抛光20 s 测量试样一次，测量垂直测试位置的表面，对比前后测量差值从而可以确定层深。以焊缝中心表面作为原点（即层深为0 μm），沿厚度的方向分别获取到-500 μm、-1 000 μm、-1 500 μm 不同层深，每个层深测试3 次残余应力，测试位置如图1 所示，2#点位于焊缝中心，左、右约2 mm 处分别标记为1#点和3#点。

图1 残余应力测试位置示意图

侧倾法测量残余应力是一种对测量材料非破坏性的试验方法，通过测量射线衍射峰的偏移量来计算残余应力。其优点是2θ平面与ψ角转动平面垂直，在各个ψ角衍射线经过的试样路程近乎相等，因此不考虑吸收因子对不同ψ角衍射强度的影响；同时ψ角与2θ扫描角互不限制，几何对称性好，可有效减小散焦的影响，提高应力测量精度[18-19]。因此本研究采用侧倾法逐层测试残余应力，测试方法如图2所示。

图2 侧倾法测试示意图

采用德国布鲁克D8 ADVANCE A25 X 射线衍射仪，将TC11 样品固定在尤拉环样品台上，与转动盘不能有相对位移，靶材为铜靶，使用双激光定位系统确定样品的测量位置，选择Coupled 2θ/θ（耦合）扫描模式，侧倾法测试参数见表2。

表2 侧倾法应力测试参数

2 试验结果

分别取ψ为0°、 18.44°、 26.56°、 33.22°、 39.24°和45.00°，sin2ψ取实测值，残余应力计算公式为

式中：σφ——残余应力，MPa；

E——弹性模量，取E=133 GPa；

υ——泊松比，取υ=0.33；

θ0——无应力时的布拉格角，取θ0=71.011°；

ψ——侧倾角，（°）；

K——应力常数，取K=-276.7 MPa/（°）。

残余应力计算结果见表3。

表3 TC11钛合金焊缝不同层深处残余应力计算结果

3 结果分析

当激光冲击波的压力峰值超过TC11 钛合金的动态屈服强度时，TC11 钛合金表层发生强烈塑性变形诱导产生高密度位错，位错经过进一步运动、重排等过程引起晶格畸变，表面严重塑性变形区域受到周围未发生塑性变形区域的限制作用，在表面形成了具有一定深度的残余压应力场。由表3 残余应力结果可知，对TC11钛合金焊缝金属经过激光冲击强化处理后，表面残余应力均为负值，表现为残余压应力，激光冲击强化前焊缝表面（0 μm）残余压应力为-110.2 MPa、-126.5 MPa 和-120.4 MPa，强化后焊缝表面（0 μm）残余压应力为-532.7 MPa、-525.0 MPa 和-529.7 MPa。激光强化冲击后TC11 钛合金焊缝金属表面残余压应力提升了近5 倍，层深1 591 μm 处压应力平均值为-175.6 MPa，优于激光冲击强化前焊缝表面（0 μm）残余压应力平均值（-119.0 MPa），两者相比较，压应力提升56.6 MPa。试验结果表明表面残余压应力提升效果显著，层深1 591 μm 处，激光冲击强化效果良好。

残余压应力场的出现可平衡构件在载荷作用下产生的拉应力，阻碍裂纹扩展及封闭裂纹，从而延长构件的使用寿命。从不同层深残余应力平均值大小可以看出，激光冲击强化处理后TC11残余应力从表面（最高-529.1 MPa）至层深583 μm处（-328.5 MPa）整体下降较快，层深962～1 591 μm 处，残余应力下降较慢且趋于平缓，随着层深的逐渐增大，残余压应力整体呈明显下降趋势，且下降速度由快变慢，这与冲击波向TC11钛合金内部传递过程中能量逐渐衰減有关，距离表层越远，变形程度越弱，因此残余压应力也越来越小。