激光能量对激光冲击强化45钢摩擦磨损性能的影响

2023-11-27王琼林

机械工程材料 2023年11期

王琼林

(超达阀门集团股份有限公司,温州 325105)

0 引言

45钢是一种优质的碳素结构钢,具有较高的强度和抗变形能力,是制造泵阀构件的关键材料[1-2]。泵阀构件通常在恶劣的工况(如高/低温、交变载荷、冲蚀磨损等复杂工况)下服役,极易发生磨损失效[3]。因此,开展泵阀关键构件用45钢摩擦磨损特性及强化工艺的研究具有重要的工程意义。研究[4-5]表明,绝大多数微观裂纹在金属材料的表面或亚表面萌生,然后扩展到内部直至材料失效。因此,提高金属构件表面性能具有重大的工程意义。激光冲击强化(也称为激光喷丸,LSP)技术具有高压、高能、超快等特点[6-8],其通过诱导产生等离子体,等离子体吸收大量能量并产生冲击波作用在金属材料表面,使金属材料表面发生超高应变速率塑性变形,从而达到提高表面硬度、疲劳寿命以及耐腐蚀性能的目的[9-10]。目前,在激光冲击强化45钢方面,学者们也进行了一定研究。戴希敏等[11]发现,激光冲击强化提高了45钢试样的硬度和疲劳寿命,平均疲劳寿命提高约60%。许昌等[12]研究表明,激光冲击强化可以促进45钢表面亚晶的形成,使其表面硬度提升约20%,硬度影响层深度达到1 mm。然而,作为激光冲击强化工艺的关键参数,有关激光能量对45钢表面微观结构的影响规律及提升耐磨性能微观机理的研究较少。为此,作者对45钢试样进行不同激光能量的激光冲击强化处理,研究了激光能量对显微硬度、残余应力、微观结构和摩擦磨损性能的影响,并分析了耐磨性能提升的微观机理。

1 试样制备与试验方法

试验材料选取正火态45钢,正火工艺为随炉加热至850 ℃,保温15 min,取出空冷至室温。加工出尺寸为50 mm×30 mm×5 mm的试样,采用GAIA型高功率固体激光系统对试样表面进行激光冲击强化,激光能量分别为4,6,8 J,光斑直径为3 mm,激光脉冲宽度为10 ns,频率为5 Hz,波长为1 064 nm,使用厚度约为2 mm的水幕作为约束层,使用厚度为0.1 mm的铝箔作为吸收层。为了提高表面处理强化效果,激光加工路径为“S”字形,光斑搭接率为50%,如图1所示。

图1 激光加工路径和光斑搭接示意Fig.1 Diagram of laser processing path and spot overlapping

激光冲击强化后,用工业酒精清除试样表面的残留物,采用LXRD-PROTO型残余应力仪测试试样表面及深度方向的残余应力和半高宽,采用铬靶,晶面类型为(211),布拉格角度为156°;在测深度方向的残余应力和半高宽时,采用电解抛光法逐层将试样表层进行剥离后测试。利用HVS-1000型数字显微硬度计测试试样表面和深度方向的显微硬度,载荷为2.94 N,保载时间为10 s。采用JEOL 2100型透射电子显微镜(TEM)观察微观结构。采用UMT-2型多功能摩擦磨损试验机开展摩擦磨损试验,采用球-面接触方式,直线往复运动,摩擦对偶件为Si3N4陶瓷球,硬度为62 HRC,直径为3 mm,载荷为5 N,摩擦时间为5 min。称取试样磨损前后的质量,计算磨损质量损失。采用Zeiss Sigma型扫描电子显微镜(SEM)观察磨损表面形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 对半高宽的影响

由图2可以看出,未进行激光冲击强化时,45钢表层(211)晶面的半高宽(FWHM)均稳定在2.90°左右。激光冲击强化后,45钢表层的FWHM显著增大,并且FWHM随着距表面距离(深度)增大而逐渐降低,最终与未强化45钢(即基体)趋于一致;表面的FWHM最大,当激光能量为4,6,8 J时分别达到3.25°,3.45°,3.50°;在相同深度位置,激光能量越大,FWHM越大。这说明激光冲击强化使试样表层产生了塑性变形与内部晶格畸变,诱导形成高密度位错等微观结构;激光能量越大,晶格畸变程度越大。由FWHM判断,当激光能量分别为4,6,8 J时,激光冲击强化的影响层深度分别约为500,600,700 μm。

图2 不同能量激光冲击强化前后45钢试样的FWHM沿深度的分布Fig.2 Distribution of FWHM along depth of 45 steel specimens before and after laser shock peening under different energy

2.2 对表面微观结构的影响

由图3可以看出,未进行激光冲击强化时,45钢中晶粒内部位错密度较低,部分位错线的分布比较分散,未观察到位错聚集和缠结等高密度的位错组态,组织内分布着一些碳化物。

图3 激光冲击强化前45钢试样的TEM明场像Fig.3 TEM bright field images of 45 steel specimens before laser shock peening: (a) field of view 1 and (b) field of view 2

由图4可以看出:在8 J能量下激光冲击强化后,45钢中位错密度明显增加,出现了位错缠结,位错结构中分布着大量析出物,这有利于提升位错结构的稳定性;同时,表面存在大量亚晶结构。激光冲击强化使45钢表面产生大量点缺陷,阻碍位错滑移,形成大量位错线,位错线在局部区域聚集,堆积形成位错缠结等高密度结构;激光冲击还会产生大量内应力,加剧位错滑移现象,导致位错密度进一步增加[13]。

图4 在8 J能量下激光冲击强化后45钢试样表面的TEM明场像Fig.4 TEM bright field images of 45 steel specimen surface after laser shock peening at 8 J energy: (a) field of view 1 and (b) field of view 2

2.3 对残余应力的影响

由图5可以看出,未进行激光冲击强化时,45钢表层的残余应力均为拉应力,保持在25 MPa左右。激光冲击强化后,45钢表层产生残余压应力,表面的残余压应力最大,激光能量为4,6,8 J时分别达到410,475,500 MPa;随深度的增加,残余压应力减小,最终转变为残余拉应力;在相同的深度位置,激光能量越大,残余压应力越大。由残余压应力分布判断,当激光能量为4,6,8 J时,激光冲击强化的影响层深度分别约为550,600,650 μm。

图5 不同能量激光冲击强化前后45钢试样的残余应力沿深度的分布Fig.5 Distribution of residual stress along depth of 45 steel specimens before and after laser shock peening under different energy

2.4 对显微硬度的影响

由图6可以看出,未进行激光冲击强化时,45钢表层的显微硬度基本相同,均在280 HV左右。激光冲击强化后,45钢表层显微硬度显著提高,并随深度增加而逐渐降低,最终与基体趋于一致;表面显微硬度最高,激光能量为4,6,8 J时分别达到326,340,350 HV;在相同深度位置,激光能量越大,显微硬度越大。由硬度分布曲线判断,当激光能量分别为4,6,8 J时,激光冲击强化的影响层深度分别约为600, 650, 700 μm。表面硬度提高是提升材料耐磨性能的主要方法之一[14]。

图6 不同能量激光冲击强化前后45钢试样的显微硬度沿深度的分布Fig.6 Distribution of microhardness along depth of 45 steel specimens before and after laser shock peening under different energy

2.5 对摩擦磨损性能的影响

未强化和在4,6,8 J能量下激光冲击强化后,45钢试样的平均摩擦因数分别为1.50,0.98,0.72,0.60,磨损质量损失分别为271,196,165,157 mg。随着激光能量增加,试样的平均摩擦因数和磨损质量损失减小,耐磨性能提高。由图7可以看出:未进行激光冲击强化的45钢试样表面磨损较为严重,出现大量磨粒和剥落物,且剥落物发生了堆积,同时还存在一些因往复磨损而产生的裂纹,磨损形成的犁沟较深;激光冲击强化后,试样表面磨损程度显著降低,未出现大量材料堆积的现象;随着激光能量增加,磨损表面剥落物减少,犁沟的深度和宽度减小,当激光能量为8 J时,磨损表面仅分布少量磨粒,剥落物数量最少,犁沟深度和宽度最小。综上可知,激光冲击强化有效提高了45钢的表面抗摩擦磨损能力。

若材料屈服极限高于摩擦磨损引入的切应力,裂纹不易萌生,材料耐磨性能提升。由前文可知,随着激光能量增加,45钢试样表面的塑性变形程度增加,诱导的位错密度更高,残余压应力更大。根据Hall-Petch关系,高密度位错有助于提高材料的屈服极限,因此激光冲击强化后45钢的抗摩擦磨损能力得到提升,并且激光能量越高,抗摩擦磨损能力越强[15-16];此外,激光冲击强化诱导的残余压应力可以抵消往复磨损过程中产生的局部拉应力,减缓甚至抑制摩擦磨损过程中裂纹的扩展,使其转换成非扩展性裂纹,且有利于提高短裂纹的闭合力,因此在摩擦磨损过程中试样表面不易出现大面积的表面损伤,最终表现出耐磨性能的提升[9]。