激光沖擊對(duì)TC17鈦合金微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響

楊 揚(yáng)，張 華

（1.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué)有色金屬科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083）

0 前言

鈦合金由于具有較高的比強(qiáng)度和較好的耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)在航空、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。其中TC17鈦合金（名義成分為Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr）因?yàn)槠鋸?qiáng)韌性優(yōu)異，并且可以通過熱處理控制微觀組織和力學(xué)性能等特性而在鈦合金使用總量中占有較大的比重。但是鈦合金耐磨性較差、易疲勞等失效現(xiàn)象限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。這些失效常常始于材料表面，因此通過改變材料表層的顯微組織來提高材料的表面性能具有很大研究?jī)r(jià)值。

常用軋制[1]、擠壓[2]等變形技術(shù)能夠改善材料的綜合性能，而劇烈變形技術(shù)（SPD）[3]，例如表面機(jī)械研磨（SMAT）[4]、等通道轉(zhuǎn)角擠壓（ECAP）[5]等能夠在不改變金屬材料化學(xué)成分的基礎(chǔ)上有效細(xì)化金屬材料的表層顯微組織，將原始粗大晶粒細(xì)化至亞微米級(jí)甚至納米級(jí)，得到表層強(qiáng)化的梯度顯微組織。近些年，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（LSP）在金屬材料表層強(qiáng)化中的應(yīng)用越來越廣泛。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（LSP）利用激光能量激發(fā)的高壓等離子體沖擊波作用在材料表面，能夠得到更深的殘余壓應(yīng)力影響層，以及更加細(xì)小的表層變形組織，并且對(duì)材料表面的粗糙程度影響較小。

針對(duì)激光沖擊提高材料性能，尤其是鋁合金和鋼進(jìn)行的研究比較深入。例如Rodopoulos[6]對(duì)2024鋁合金進(jìn)行了激光和機(jī)械復(fù)合噴丸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比了不同噴丸工藝條件下材料的疲勞性能；Gomez-Rosas[7]研究了吸收層對(duì)激光沖擊6061-T6鋁合金產(chǎn)生的殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響并分析了不同尺寸沖擊光斑和不同激光脈沖能量對(duì)6061-T6鋁合金表面和深度方向的殘余應(yīng)力的影響；Mordyuk[8]在激光沖擊鋼中發(fā)現(xiàn)了高密度的位錯(cuò)纏結(jié)，認(rèn)為激光沖擊細(xì)化晶粒的微觀機(jī)制在于復(fù)雜位錯(cuò)活動(dòng)；Hyuntaeck Lim[9]發(fā)現(xiàn)激光沖擊能夠明顯增強(qiáng)雙相不銹鋼（22%Cr-5%Ni）的耐磨損和抗腐蝕性。而對(duì)于激光沖擊鈦合金的研究則比較少，并且大都集中于經(jīng)激光沖擊后鈦合金性能提高方面。C.Cellard[10]和Shepared[11]研究了激光功率密度、持續(xù)時(shí)間、沖擊次數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)鈦合金激光沖擊強(qiáng)化效果的影響；S.Spanrad[12]發(fā)現(xiàn)激光沖擊Ti-6Al-4V航空用鈦合金后試樣沖擊處形成的殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化能夠有效增強(qiáng)試件的疲勞強(qiáng)度，從而提高航空鈦合金抵抗外物損傷的能力。但是關(guān)于鈦合金經(jīng)激光沖擊后其微觀組織細(xì)化機(jī)理的研究尚不夠深入。

本文主要研究了激光沖擊后航空TC17鈦合金微觀組織細(xì)化機(jī)制，利用不同沖擊深度處的TEM照片分析經(jīng)激光沖擊后TC17鈦合金微觀組織的變化，從而研究TC17鈦合金在超高應(yīng)變速率變形條件下的顯微組織細(xì)化機(jī)理。

1 材料和實(shí)驗(yàn)方法

激光沖擊實(shí)驗(yàn)選用的TC17鈦合金熱處理制度為雙重退火（950～980℃，1～2h，空冷+530℃，6 h，空冷），最終得到均勻等軸粗晶組織，平均晶粒尺寸為43μm。采用尺寸為30 mm×15 mm×5 mm的矩形試樣用于激光沖擊實(shí)驗(yàn)。

激光沖擊實(shí)驗(yàn)采用厚度為100μm的鋁箔作為吸收層，保護(hù)TC17鈦合金試樣不被激光熱灼蝕，采用厚度1 mm的流動(dòng)水作為約束層，增強(qiáng)激光沖擊強(qiáng)化的效果，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)選擇的具體工作參數(shù)

微觀結(jié)構(gòu)觀察采用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行。經(jīng)過激光沖擊加載后的TC17鈦合金力學(xué)性能變化采用維氏硬度進(jìn)行表征。在試樣截面區(qū)域沿沖擊表層0.2 mm深度向內(nèi)部每隔0.2 mm取測(cè)量層深，每個(gè)層深測(cè)量3次取其平均值作為相應(yīng)層深的硬度測(cè)量值，最表面硬度值單獨(dú)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)載荷為1 kg，載荷保持時(shí)間為10 s。

2 微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 距激光沖擊表面約200μm深度處

圖1是激光沖擊TC17鈦合金距表層約200μm深度處（近基體）的截面試樣TEM形貌觀察結(jié)果。從照片中可以看出激光沖擊后TC17鈦合金原始大晶粒內(nèi)部變形引入的位錯(cuò)組織，如圖1（a）所示位錯(cuò)線和位錯(cuò)墻等；變形組織中出現(xiàn)了孿晶，孿晶周圍聚集了大量位錯(cuò)，見圖1（b），孿晶內(nèi)部位錯(cuò)密度較高，位錯(cuò)之間相互纏結(jié)。從TEM照片可以看出該深度處變形程度不高。

2.2 距激光沖擊表面約100μm深度處

圖2是距離表面約100μm深度處的TC17鈦合金變形組織截面試樣TEM形貌觀察結(jié)果。從圖中可以看出，相比200μm深度處（圖1）組織，激光沖擊后100μm深度處TC17鈦合金組織變形程度更大，位錯(cuò)密度進(jìn)一步增大，如圖2（a）所示；位錯(cuò)間的相互纏結(jié)更加明顯，有形成位錯(cuò)胞的趨勢(shì)，見圖2（b）；高放大倍數(shù)的孿晶照片顯示孿晶內(nèi)部高密度的位錯(cuò)相互纏結(jié)形成了位錯(cuò)胞。

2.3 距激光沖擊表面50μm深度處

圖3是距離表面約50μm深度處的TC17鈦合金變形組織截面試樣TEM形貌觀察結(jié)果。隨著深度的進(jìn)一步減小，位錯(cuò)纏結(jié)逐漸轉(zhuǎn)化成為位錯(cuò)胞，位錯(cuò)胞的尺寸在300～600 nm范圍內(nèi)，如3（a）所示；孿晶交叉以及孿晶內(nèi)部位錯(cuò)纏結(jié)將孿晶切分為細(xì)小變形組織（如圖3（b）所示），有些位置能夠看到孿晶切分成的小塊。50μm深度處TC17鈦合金在激光沖擊后亞結(jié)構(gòu)相互間的取向差很大，微觀組織已經(jīng)得到了很大程度的細(xì)化。

圖1 200μm深度處截面TEM明場(chǎng)像照片

圖2 100μm深度處截面TEM明場(chǎng)像照片

圖3 約50μm深度處截面TEM明場(chǎng)像照片

2.4 激光沖擊表面

圖4 是TC17鈦合金變形組織表面平視TEM形貌觀察結(jié)果。從照片中可以看出，表面晶粒經(jīng)過高應(yīng)變速率變形后，大部分晶粒轉(zhuǎn)變成了等軸狀的細(xì)化晶粒，晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度相比50μm深度處明顯降低，但仍然存在較高密度的位錯(cuò)組織，見圖4（a）；表面細(xì)化晶粒尺寸大部分都在200～600 nm范圍內(nèi)，平均晶粒大小為389 nm，如圖4（b）細(xì)化晶粒尺寸分布圖所示。相比原始粗晶（43 μm），經(jīng)過激光沖擊處理后，TC17鈦合金表層晶粒細(xì)化程度超過100倍。

圖4 最表面平視TEM照片及細(xì)化晶粒尺寸分布

3 硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過截面硬度測(cè)試，得到硬度與距離表面的距離關(guān)系，如表2所示。

表2 截面硬度-層深關(guān)系

根據(jù)表2硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果作截面硬度-層深關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 截面硬度-層深關(guān)系曲線圖

由圖5可知，截面的硬度隨距離激光沖擊表面距離增大而逐漸減小，表面硬度提高了25%左右。當(dāng)深度達(dá)到1.5 mm之后，截面硬度趨于穩(wěn)定，更深處的樣品未受到激光沖擊的影響。顯微硬度結(jié)果證明在此參數(shù)下TC17鈦合金經(jīng)單次激光沖擊處理后顯微組織影響深度超過了1 mm，并在此深度處仍存在沖擊波引入的位錯(cuò)等組織缺陷。

4 分析討論

4.1 顯微組織細(xì)化機(jī)制

在金屬表面加工過程中，塑性變形和晶粒細(xì)化機(jī)制主要取決于金屬的晶體結(jié)構(gòu)以及層錯(cuò)能的大小。TC17雙相鈦合金含有hcp型晶體結(jié)構(gòu)的α相和bcc型晶體結(jié)構(gòu)的β相，具有高層錯(cuò)能[13]，其塑性變形機(jī)制以位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)為主。在靠近基體位置處出現(xiàn)較多孿晶，這是因?yàn)楫?dāng)位錯(cuò)滑移到一定程度必然產(chǎn)生塞積，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，最終使得應(yīng)力集中達(dá)到發(fā)生孿生變形的臨界剪切應(yīng)力，誘發(fā)孿生變形來緩解位錯(cuò)滑移難以釋放的應(yīng)力。孿生變形可以產(chǎn)生大量有利于滑移的晶體學(xué)取向，能夠協(xié)調(diào)變形過程，從而保證后續(xù)位錯(cuò)滑移順利進(jìn)行。當(dāng)距離沖擊表面較近、應(yīng)變量較大時(shí)，位錯(cuò)急劇增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)成為材料變形的決定因素，這和文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

激光沖擊工藝和常規(guī)加工方法相比具有本質(zhì)的區(qū)別，相比于傳統(tǒng)低應(yīng)變率其具有的超高應(yīng)變率變形特點(diǎn)不只有利于位錯(cuò)密度的增加，還有利于提高相鄰亞結(jié)構(gòu)之間的晶體學(xué)取向差[15]。因此激光沖擊TC17鈦合金表層晶粒細(xì)化機(jī)制也和其他傳統(tǒng)表面處理工藝不同。在沖擊波作用下，晶體內(nèi)變形達(dá)到一定程度后，進(jìn)一步變形的約束逐漸增強(qiáng)，晶體內(nèi)部分具有特定約束和幾何條件下的位錯(cuò)則形成具有晶粒分割功能的位錯(cuò)墻[16]，可以將晶粒分割成位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu)。隨著變形及應(yīng)變速率的進(jìn)一步加大，原始粗晶被高密度的位錯(cuò)墻圈成的位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu)取代，位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu)吸收周圍位錯(cuò)進(jìn)而形成了等軸狀、取向隨機(jī)分布的亞微米級(jí)細(xì)化晶粒。

4.2 力學(xué)性能變化

結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)和硬度測(cè)試結(jié)果，激光沖擊對(duì)TC17鈦合金力學(xué)性能的強(qiáng)化作用可以從晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化兩方面來分析。

（1）晶界強(qiáng)化方面：激光沖擊后TC17鈦合金晶粒細(xì)化至亞微米級(jí)，晶界和亞晶界（包括孿晶）增多，晶粒尺寸的減小以及晶界界面的增多都會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)以及孿晶的開動(dòng)更加困難，也就意味著需要更大的外力才能引起材料的塑性變形，即硬度提高，這符合Hall-Petch公式[17]。

（2）位錯(cuò)強(qiáng)化方面：激光沖擊加載后材料內(nèi)部產(chǎn)生了顯著的塑性變形，出現(xiàn)了高密度位錯(cuò)組織缺陷，對(duì)后續(xù)位錯(cuò)的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，從而提高了材料的力學(xué)性能。

5 結(jié)論

通過透射電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出TC17鈦合金經(jīng)激光沖擊后其晶粒得到了顯著細(xì)化，且沿著深度方向形成了強(qiáng)化梯度結(jié)構(gòu)。經(jīng)透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果分析后，得出TC17鈦合金激光沖擊后的晶粒細(xì)化機(jī)制為：高應(yīng)變速率使得材料中形成了高密度位錯(cuò)以及孿晶組織，高密度位錯(cuò)（包括孿晶內(nèi)部）發(fā)生相互纏結(jié)，形成具有分割大晶粒功能的位錯(cuò)墻，位錯(cuò)墻圈起來的區(qū)域轉(zhuǎn)化為位錯(cuò)胞亞結(jié)構(gòu)，將原始粗晶細(xì)分為亞微米級(jí)的細(xì)小等軸晶粒。