激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC11鈦合金焊接接頭層深殘余應(yīng)力的影響*

張 超，張 虎，周 云，祝少華，蘆 琳，符利兵，黃曉江

（1.中油國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018； 2.中國(guó)石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；3.中國(guó)石油陜西銷售公司，西安 710077）

0 前 言

TC11 是一種馬氏體型α+β 雙相熱強(qiáng)型鈦合金，在高溫下仍可以保持較高的力學(xué)性能，已廣泛用于航空等領(lǐng)域[1-3]，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片、環(huán)形件、鼓筒和緊固件等關(guān)鍵零部件。在受到熱、力等交變載荷的作用時(shí)，關(guān)鍵零部件會(huì)發(fā)生磨損、斷裂或疲勞破壞[4-8]。表面強(qiáng)化技術(shù)是通過(guò)涂層法、化學(xué)熱處理及機(jī)械硬化處理等，優(yōu)化材料表面的組織結(jié)構(gòu)與性能，使表層獲得較大的殘余壓應(yīng)力、硬度和加工硬化層，從而有效提高材料的耐腐蝕性能、疲勞性能及抗摩擦磨損性能，最終顯著提高材料或構(gòu)件使用壽命[9-11]。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)相比其他表面強(qiáng)化技術(shù)，具有無(wú)接觸和良好可控性等優(yōu)點(diǎn)，成為材料表面改性領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鈦合金表面激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)做了大量研究[12-17]，結(jié)果表明激光沖擊強(qiáng)化后，位錯(cuò)在沖擊波的作用下發(fā)生了滑移、重排，先后呈現(xiàn)出高密度位錯(cuò)、亞晶和納米晶的微觀特征，硬度也顯著提高，在表面形成了殘余壓應(yīng)力，但對(duì)鈦合金焊接接頭沿層深的殘余應(yīng)力分布研究較少。

本研究選用TC11 鈦合金進(jìn)行焊接，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化后的焊縫金屬，通過(guò)電解拋光的方式獲取不同的層深，采用側(cè)傾法研究激光強(qiáng)化沖擊對(duì)TC11鈦合金焊接接頭不同層深殘余應(yīng)力的影響，測(cè)試殘余應(yīng)力大小及層深分布梯度，為TC11 鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力調(diào)控及表面的強(qiáng)化處理提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用光纖激光將規(guī)格為60 mm×50 mm×5 mm的TC11 鈦合金試樣焊接在一起，焊縫位于試樣中心，隨后采用LAMEBR-08 激光發(fā)生系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化。為避免大功率脈沖燒蝕表面，在焊縫表面覆蓋0.1 mm 的鋁箔作為吸收層，同時(shí)采用2 mm 厚去離子流動(dòng)水為約束層，以便增強(qiáng)激光沖擊的強(qiáng)化效果。激光沖擊試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 激光沖擊試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

為了獲取良好、無(wú)干擾的層深，試驗(yàn)采用電解電化學(xué)拋光方法，通過(guò)陽(yáng)極溶解逐步使試樣平整，同時(shí)沒(méi)有外界載荷的干擾，不會(huì)引起金屬的表面變形。

使用POLISHER 8818 V-3 電解拋光儀，腐蝕頭的直徑為8 mm，拋光液為900 mL 甲醇+100 mL 高氯酸，采用恒流模式，電壓為40 V。每拋光20 s 測(cè)量試樣一次，測(cè)量垂直測(cè)試位置的表面，對(duì)比前后測(cè)量差值從而可以確定層深。以焊縫中心表面作為原點(diǎn)（即層深為0 μm），沿厚度的方向分別獲取到-500 μm、-1 000 μm、-1 500 μm 不同層深，每個(gè)層深測(cè)試3 次殘余應(yīng)力，測(cè)試位置如圖1 所示，2#點(diǎn)位于焊縫中心，左、右約2 mm 處分別標(biāo)記為1#點(diǎn)和3#點(diǎn)。

圖1 殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意圖

側(cè)傾法測(cè)量殘余應(yīng)力是一種對(duì)測(cè)量材料非破壞性的試驗(yàn)方法，通過(guò)測(cè)量射線衍射峰的偏移量來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力。其優(yōu)點(diǎn)是2θ平面與ψ角轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直，在各個(gè)ψ角衍射線經(jīng)過(guò)的試樣路程近乎相等，因此不考慮吸收因子對(duì)不同ψ角衍射強(qiáng)度的影響；同時(shí)ψ角與2θ掃描角互不限制，幾何對(duì)稱性好，可有效減小散焦的影響，提高應(yīng)力測(cè)量精度[18-19]。因此本研究采用側(cè)傾法逐層測(cè)試殘余應(yīng)力，測(cè)試方法如圖2所示。

圖2 側(cè)傾法測(cè)試示意圖

采用德國(guó)布魯克D8 ADVANCE A25 X 射線衍射儀，將TC11 樣品固定在尤拉環(huán)樣品臺(tái)上，與轉(zhuǎn)動(dòng)盤不能有相對(duì)位移，靶材為銅靶，使用雙激光定位系統(tǒng)確定樣品的測(cè)量位置，選擇Coupled 2θ/θ（耦合）掃描模式，側(cè)傾法測(cè)試參數(shù)見表2。

表2 側(cè)傾法應(yīng)力測(cè)試參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

分別取ψ為0°、 18.44°、 26.56°、 33.22°、 39.24°和45.00°，sin2ψ取實(shí)測(cè)值，殘余應(yīng)力計(jì)算公式為

式中：σφ——?dú)堄鄳?yīng)力，MPa；

E——彈性模量，取E=133 GPa；

υ——泊松比，取υ=0.33；

θ0——無(wú)應(yīng)力時(shí)的布拉格角，取θ0=71.011°；

ψ——側(cè)傾角，（°）；

K——應(yīng)力常數(shù)，取K=-276.7 MPa/（°）。

殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 TC11鈦合金焊縫不同層深處殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)果分析

當(dāng)激光沖擊波的壓力峰值超過(guò)TC11 鈦合金的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，TC11 鈦合金表層發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形誘導(dǎo)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，位錯(cuò)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)、重排等過(guò)程引起晶格畸變，表面嚴(yán)重塑性變形區(qū)域受到周圍未發(fā)生塑性變形區(qū)域的限制作用，在表面形成了具有一定深度的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)。由表3 殘余應(yīng)力結(jié)果可知，對(duì)TC11鈦合金焊縫金屬經(jīng)過(guò)激光沖擊強(qiáng)化處理后，表面殘余應(yīng)力均為負(fù)值，表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，激光沖擊強(qiáng)化前焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力為-110.2 MPa、-126.5 MPa 和-120.4 MPa，強(qiáng)化后焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力為-532.7 MPa、-525.0 MPa 和-529.7 MPa。激光強(qiáng)化沖擊后TC11 鈦合金焊縫金屬表面殘余壓應(yīng)力提升了近5 倍，層深1 591 μm 處壓應(yīng)力平均值為-175.6 MPa，優(yōu)于激光沖擊強(qiáng)化前焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力平均值（-119.0 MPa），兩者相比較，壓應(yīng)力提升56.6 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明表面殘余壓應(yīng)力提升效果顯著，層深1 591 μm 處，激光沖擊強(qiáng)化效果良好。

殘余壓應(yīng)力場(chǎng)的出現(xiàn)可平衡構(gòu)件在載荷作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，阻礙裂紋擴(kuò)展及封閉裂紋，從而延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。從不同層深殘余應(yīng)力平均值大小可以看出，激光沖擊強(qiáng)化處理后TC11殘余應(yīng)力從表面（最高-529.1 MPa）至層深583 μm處（-328.5 MPa）整體下降較快，層深962～1 591 μm 處，殘余應(yīng)力下降較慢且趨于平緩，隨著層深的逐漸增大，殘余壓應(yīng)力整體呈明顯下降趨勢(shì)，且下降速度由快變慢，這與沖擊波向TC11鈦合金內(nèi)部傳遞過(guò)程中能量逐漸衰減有關(guān)，距離表層越遠(yuǎn)，變形程度越弱，因此殘余壓應(yīng)力也越來(lái)越小。

4 結(jié) 論

（1）激光沖擊強(qiáng)化后TC11 鈦合金焊縫金屬表面壓應(yīng)力平均值為-529.1 MPa，比強(qiáng)化前平均值（-119 MPa）提升了約5倍，表面殘余壓應(yīng)力提升效果顯著。

（2）激光沖擊強(qiáng)化后TC11 鈦合金焊縫層深1 591 μm處壓應(yīng)力平均值為-175.6 MPa，優(yōu)于激光沖擊強(qiáng)化前焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力平均值，平均壓應(yīng)力大小提升了56.6 MPa，強(qiáng)化深度影響超1 591 μm，表明激光沖擊強(qiáng)化效果良好。

（3）激光沖擊強(qiáng)化后，TC11 鈦合金焊縫殘余壓應(yīng)力從表面至層深1 521 μm 處，整體呈明顯的下降趨勢(shì)，其中，在層深0～583 μm處殘余應(yīng)力下降速度較快，層深962～1 591 μm 處殘余應(yīng)力下降較慢且趨于平緩。