高頻率Nd∶YLF平頂激光沖擊對TC6鈦合金表面應力及微變形的影響

朱 然，謝地輝，朱帥光，張永康

(廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

激光沖擊強化(Laser shock peening, LSP)技術通過采用短脈沖高峰值功率密度激光輻照金屬工件表面，形成瞬態高壓沖擊波壓力，使金屬材料表層發生局部塑性形變強化，形成具有一定深度的殘余壓應力，實現工件的強化，從而能夠顯著提高金屬工件的抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕等性能[1-3]。

在激光沖擊強化系統中，激光器是其最核心的一部分，激光器性能的優劣直接決定了金屬件的強化處理效果。目前，Nd∶YAG固體激光器在國內激光沖擊強化領域已有廣泛應用，例如，某研究所相關研究人員研制了Nd∶YAG脈沖固體激光器，最大重復頻率為5 Hz，在此基礎上搭建了激光沖擊強化系統[4-5]，同時針對不同金屬材料開展了一系列的激光沖擊強化試驗[6-9]。空軍工程大學以Nd∶YAG激光器為主，研發了激光沖擊強化成套設備，重復頻率選擇范圍設定在 1～3 Hz，針對激光沖擊強化鈦合金、高溫合金等材料的力學性能及抗疲勞性能進行了研究[10-13]。國內其它單位的研究人員[14-17]基于Nd∶YAG固體激光器，針對不同金屬材料進行了一系列激光沖擊強化試驗，分析了激光沖擊強化對工件殘余應力、硬度、耐腐蝕性能及摩擦性能的影響。國外一些學者也開展了Nd∶YAG激光沖擊強化試驗，Aswegen等[18]分析了激光沖擊強化對2024鋁合金殘余應力和疲勞裂紋擴展的影響。Chattopadhyay等[19]針對鈦金屬焊接件進行了激光沖擊強化，分析了其對耐腐蝕性能、力學性能及微觀組織的影響。Siddaiah等[20]分析了激光沖擊強化對AZ31B鎂合金磨損、耐腐蝕性能的影響。

與Nd∶YAG晶體相比，Nd∶YLF晶體具有更低的閾值以及更高的單模平均功率，具有更小的熱透鏡效應、單模體積大等特點。在有效儲能、Q開關輸出、單縱模穩定態工作等方面，Nd∶YLF比Nd∶YAG顯示出更大的優越性[21]，美國某公司研制的Procudo200型激光沖擊強化系統已采用Nd∶YLF激光器[22]。目前基于Nd∶YLF激光器開展的TC6鈦合金平頂激光沖擊強化試驗的研究鮮有報道，高重復頻率(大于5 Hz)條件下的相關激光沖擊強化試驗報道也比較少。

本文選取TC6鈦合金材料為研究對象，采用Nd∶YLF激光器對其進行10 Hz重復頻率條件下的平頂光束激光沖擊強化試驗，從表面殘余應力和形變強化兩個角度來評價激光沖擊強化效果，分別從光斑搭接率、激光能量、沖擊次數對上述兩個方面進行評價和分析，為高重復頻率條件下Nd∶YLF激光沖擊強化在關鍵零部件上應用提供一定的工藝基礎積累。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

選取尺寸為25 mm×25 mm×5 mm的TC6鈦合金板做為激光沖擊強化試樣，材料的化學成分組成及室溫力學性能分別如表1和表2所示。在進行激光沖擊強化處理之前對待處理表面進行打磨拋光處理，并對其進行超聲波清洗，最后對其進行去應力退火以降低初始應力對激光沖擊強化效果的影響。

表1 TC6鈦合金的化學成分(質量分數, %)[23]

表2 TC6鈦合金的室溫力學性能[23]

1.2 激光沖擊強化試驗

采用美國某公司研制的第三代Procudo200型激光沖擊強化系統，該系統采用Nd：YLF晶體激光棒，產生的波長為1053 nm，脈沖能量最大為10 J，最大脈沖頻率為20 Hz，脈沖寬度8～22 ns，圓形光斑直徑為φ(2～8)mm，激光光斑能量分布呈現平頂分布(見圖1)。激光沖擊軌跡及區域如圖2所示。本文激光沖擊強化試驗采用的光斑直徑為φ3 mm，脈沖頻率為10 Hz，脈沖寬度為20 ns，表3列出了不同試樣的激光處理工藝參數。

圖1 激光束能量分布

圖2 激光沖擊強化軌跡

表3 不同試樣的激光沖擊強化工藝參數

1.3 表面殘余應力和形貌的測量

利用XL-640型X射線應力測定儀測量試樣沖擊前后的表面殘余應力，測量方法為測傾固定Ψ法，輻射為Cu Kα，衍射晶面為(213)，2θ掃描起止角分別為147°和137°，記數時間50 s，測量點間距為3 mm。

利用Contour GT-X3型白光干涉儀得到樣品的三維形貌和表面粗糙度等特征，測試過程中采取拼接掃描的方式，利用光的干涉原理，對試樣4 mm×4 mm的區域進行形貌特征的測量。

2 試驗結果與分析

2.1 表面殘余應力

當激光沖擊能量為6 J，重復頻率為10 Hz時，Procudo200型激光沖擊強化控制系統顯示屏記錄的不同時刻能量變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出，該激光沖擊強化系統在高重復頻率條件下，能量波動很小，仍可保證高效穩定的工作。不同搭接率(10%、30%和50%)激光沖擊強化作用后試樣如圖4所示，從圖4可以看出，光斑搭接率為50%時，試樣表面黑膠帶發生破損，靶材表面出現一定程度的燒蝕現象，測試不同光斑搭接率作用后試樣中心位置處的表面殘余應力，測試結果如表4所示。從表4可以看出，不同光斑搭接率作用后，試樣中心處的表面殘余壓應力分別為-398、-617和-491 MPa，光斑搭接率為30%時，試樣表面獲得殘余應力最大，因此在Nd∶YLF平頂光束激光沖擊強化過程中，優選30%的光斑搭接率。該搭接率的選取與先前研究[24]選取50%的搭接率相比，可以減少光斑數量，提高效率，降低加工成本。

圖3 激光沖擊能量隨時間的變化

圖4 不同搭接率作用后的激光沖擊強化試樣(激光能量6 J，沖擊1次)

表4 不同搭接率作用下試樣中心處表面殘余應力(激光能量6 J，沖擊1次)

圖5為不同激光沖擊能量對TC6鈦合金試樣表面殘余應力的影響。從圖5(a)可以看出，隨著激光沖擊能量的增加，TC6鈦合金表面殘余壓應力增加，同時可以看出，對于平頂分布的激光，在30%的光斑搭接率下，不同位置表面殘余應力值波動較??；從圖5(b)可以看出，當激光沖擊能量分別為5、6和7 J時，TC6鈦合金表面平均殘余應力相對于未處理表面殘余應力(-31.4 MPa)分別增加了501.7、552.4和575 MPa。

圖5 激光能量對試樣表面殘余應力的影響(沖擊1次)

圖6為不同沖擊次數對TC6鈦合金試樣表面殘余應力的影響。從圖6(a)可以看出，隨著沖擊次數的增加，TC6鈦合金表面殘余壓應力增加；從圖6(b)可以看出，當沖擊次數分別為1次、2次和3次時，TC6鈦合金表面平均殘余應力相對于未處理表面殘余應力(-31.4 MPa)分別增加了552.4、586.4和606.8 MPa，隨著沖擊次數的增加，表面殘余應力的變化梯度有所減小，沖擊3次后表面殘余應力平均值近似于鈦合金屈服強度的65.8%。

圖6 沖擊次數對試樣表面殘余應力的影響

2.2 表面微變形

圖7為激光沖擊強化對TC6鈦合金三維表面形貌及表面輪廓變化的影響，表5為單光斑內輪廓變形曲線的最高點和最低點數值。圖7(a)為未處理試樣的三維表面形貌及表面輪廓變化曲線；圖7(b, c, d)為不同激光沖擊能量對TC6鈦合金表面變形的影響?？梢钥闯?，隨著激光沖擊能量的增加，表面變形量增加，從表5可以進一步看出，在單光斑內，激光沖擊能量分別為5、6和7 J時，對應的表面輪廓變化幅值分別為3.8、5.6和6.1 μm。單光斑內非搭接區域，即在距離光斑中心大約0.6 mm的區域內，表面輪廓變化梯度較小，在光斑搭接區域，即在距離光斑中心大約0.6～1.5 mm的區域內，表面輪廓變化呈現“V”形，這主要是由于對于本試驗過程中采用的激光器為Nd∶YLF晶體，直徑為φ3 mm單光斑內激光能量為平頂分布，能量波動較小，形成的沖擊波壓力在光斑內分布較為均勻，沖擊波壓力作用在鈦合金表面，最終造成光斑搭接曲率變形較大，非搭接區域表面變化梯度較?。煌瑫r激光能量增加，形成的沖擊波壓力變大，造成受沖擊鈦合金表面輪廓變化幅值增加。

圖7(c, e, f)為沖擊次數對TC6鈦合金表面變形的影響?？梢钥闯觯S著沖擊次數的增加，表面變形量增加，從表5可以進一步看出，在單光斑內，激光沖擊次數分別為1次、2次和3次時，對應的表面輪廓變化幅值分別為5.6、6.7和7.2 μm，幅值增加量有所減小，這主要是由于隨著沖擊次數增加，鈦合金表面加工硬化所引起的。

圖7 激光沖擊強化TC6鈦合金試樣的三維表面形貌及表面變形曲線

表5 激光沖擊強化TC6鈦合金試樣在光斑內變形曲線的最高點和最低點數值

圖8(a)為激光沖擊能量對TC6鈦合金表面粗糙度的影響?？梢钥闯?，激光沖擊能量分別為5、6和7 J時，對應的表面粗糙度值分別為0.739、0.924和1.115 μm，隨著激光沖擊能量的增加，TC6鈦合金表面粗糙度增加，這主要是由于激光沖擊能量增加，鈦合金表面輪廓變化波動增加所致。圖8(b)為沖擊次數對表面粗糙度的影響?？梢钥闯?，隨著沖擊次數的增加，TC6鈦合金表面粗糙度增加。當沖擊次數分別為1次、2次和3次時，對應的表面粗糙度值分別為0.924、1.152和1.394 μm。

圖8 激光能量(a)和沖擊次數(b)對TC6鈦合金表面粗糙度的影響

3 結論

本文選取TC6鈦合金為研究對象，采用10 Hz重復頻率條件下的Nd∶YLF平頂激光器對其進行沖擊強化，優選了光斑搭接率，進一步研究了激光沖擊能量和沖擊次數對鈦合金表面殘余應力和變形的影響。主要結論如下：

1)Nd∶YLF平頂激光沖擊強化鈦合金表面時，應選取30%的光斑搭接率，50%搭接率易造成鈦合金表面發生燒蝕，與已有研究工作選取50%搭接率相比，30%的搭接率有利于減少加工成本，提高加工效率。

2)隨著激光沖擊能量及沖擊次數的增加，試樣表面殘余壓應力增加，其中沖擊3次后表面殘余壓應力平均值近似于鈦合金屈服強度的65.8%。

3)隨著激光沖擊能量及沖擊次數的增加，試樣表面變形量增加，由于單光斑內激光沖擊能量為平頂分布，非搭接區域表面變形梯度小，搭接區域呈現“V”形；此外，試樣表面粗糙度也相應增加。