激光能量對激光沖擊強化45鋼摩擦磨損性能的影響

王瓊林

(超達(dá)閥門集團(tuán)股份有限公司,溫州 325105)

0 引 言

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)的碳素結(jié)構(gòu)鋼,具有較高的強度和抗變形能力,是制造泵閥構(gòu)件的關(guān)鍵材料[1-2]。泵閥構(gòu)件通常在惡劣的工況(如高/低溫、交變載荷、沖蝕磨損等復(fù)雜工況)下服役,極易發(fā)生磨損失效[3]。因此,開展泵閥關(guān)鍵構(gòu)件用45鋼摩擦磨損特性及強化工藝的研究具有重要的工程意義。研究[4-5]表明,絕大多數(shù)微觀裂紋在金屬材料的表面或亞表面萌生,然后擴展到內(nèi)部直至材料失效。因此,提高金屬構(gòu)件表面性能具有重大的工程意義。激光沖擊強化(也稱為激光噴丸,LSP)技術(shù)具有高壓、高能、超快等特點[6-8],其通過誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體,等離子體吸收大量能量并產(chǎn)生沖擊波作用在金屬材料表面,使金屬材料表面發(fā)生超高應(yīng)變速率塑性變形,從而達(dá)到提高表面硬度、疲勞壽命以及耐腐蝕性能的目的[9-10]。目前,在激光沖擊強化45鋼方面,學(xué)者們也進(jìn)行了一定研究。戴希敏等[11]發(fā)現(xiàn),激光沖擊強化提高了45鋼試樣的硬度和疲勞壽命,平均疲勞壽命提高約60%。許昌等[12]研究表明,激光沖擊強化可以促進(jìn)45鋼表面亞晶的形成,使其表面硬度提升約20%,硬度影響層深度達(dá)到1 mm。然而,作為激光沖擊強化工藝的關(guān)鍵參數(shù),有關(guān)激光能量對45鋼表面微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及提升耐磨性能微觀機理的研究較少。為此,作者對45鋼試樣進(jìn)行不同激光能量的激光沖擊強化處理,研究了激光能量對顯微硬度、殘余應(yīng)力、微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損性能的影響,并分析了耐磨性能提升的微觀機理。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料選取正火態(tài)45鋼,正火工藝為隨爐加熱至850 ℃,保溫15 min,取出空冷至室溫。加工出尺寸為50 mm×30 mm×5 mm的試樣,采用GAIA型高功率固體激光系統(tǒng)對試樣表面進(jìn)行激光沖擊強化,激光能量分別為4,6,8 J,光斑直徑為3 mm,激光脈沖寬度為10 ns,頻率為5 Hz,波長為1 064 nm,使用厚度約為2 mm的水幕作為約束層,使用厚度為0.1 mm的鋁箔作為吸收層。為了提高表面處理強化效果,激光加工路徑為“S”字形,光斑搭接率為50%,如圖1所示。

圖1 激光加工路徑和光斑搭接示意Fig.1 Diagram of laser processing path and spot overlapping

激光沖擊強化后,用工業(yè)酒精清除試樣表面的殘留物,采用LXRD-PROTO型殘余應(yīng)力儀測試試樣表面及深度方向的殘余應(yīng)力和半高寬,采用鉻靶,晶面類型為(211),布拉格角度為156°;在測深度方向的殘余應(yīng)力和半高寬時,采用電解拋光法逐層將試樣表層進(jìn)行剝離后測試。利用HVS-1000型數(shù)字顯微硬度計測試試樣表面和深度方向的顯微硬度,載荷為2.94 N,保載時間為10 s。采用JEOL 2100型透射電子顯微鏡(TEM)觀察微觀結(jié)構(gòu)。采用UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機開展摩擦磨損試驗,采用球-面接觸方式,直線往復(fù)運動,摩擦對偶件為Si3N4陶瓷球,硬度為62 HRC,直徑為3 mm,載荷為5 N,摩擦?xí)r間為5 min。稱取試樣磨損前后的質(zhì)量,計算磨損質(zhì)量損失。采用Zeiss Sigma型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨損表面形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對半高寬的影響

由圖2可以看出,未進(jìn)行激光沖擊強化時,45鋼表層(211)晶面的半高寬(FWHM)均穩(wěn)定在2.90°左右。激光沖擊強化后,45鋼表層的FWHM顯著增大,并且FWHM隨著距表面距離(深度)增大而逐漸降低,最終與未強化45鋼(即基體)趨于一致;表面的FWHM最大,當(dāng)激光能量為4,6,8 J時分別達(dá)到3.25°,3.45°,3.50°;在相同深度位置,激光能量越大,FWHM越大。這說明激光沖擊強化使試樣表層產(chǎn)生了塑性變形與內(nèi)部晶格畸變,誘導(dǎo)形成高密度位錯等微觀結(jié)構(gòu);激光能量越大,晶格畸變程度越大。由FWHM判斷,當(dāng)激光能量分別為4,6,8 J時,激光沖擊強化的影響層深度分別約為500,600,700 μm。

圖2 不同能量激光沖擊強化前后45鋼試樣的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 對表面微觀結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可以看出,未進(jìn)行激光沖擊強化時,45鋼中晶粒內(nèi)部位錯密度較低,部分位錯線的分布比較分散,未觀察到位錯聚集和纏結(jié)等高密度的位錯組態(tài),組織內(nèi)分布著一些碳化物。

圖3 激光沖擊強化前45鋼試樣的TEM明場像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

由圖4可以看出:在8 J能量下激光沖擊強化后,45鋼中位錯密度明顯增加,出現(xiàn)了位錯纏結(jié),位錯結(jié)構(gòu)中分布著大量析出物,這有利于提升位錯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;同時,表面存在大量亞晶結(jié)構(gòu)。激光沖擊強化使45鋼表面產(chǎn)生大量點缺陷,阻礙位錯滑移,形成大量位錯線,位錯線在局部區(qū)域聚集,堆積形成位錯纏結(jié)等高密度結(jié)構(gòu);激光沖擊還會產(chǎn)生大量內(nèi)應(yīng)力,加劇位錯滑移現(xiàn)象,導(dǎo)致位錯密度進(jìn)一步增加[13]。

圖4 在8 J能量下激光沖擊強化后45鋼試樣表面的TEM明場像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 對殘余應(yīng)力的影響

由圖5可以看出,未進(jìn)行激光沖擊強化時,45鋼表層的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力,保持在25 MPa左右。激光沖擊強化后,45鋼表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,表面的殘余壓應(yīng)力最大,激光能量為4,6,8 J時分別達(dá)到410,475,500 MPa;隨深度的增加,殘余壓應(yīng)力減小,最終轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力;在相同的深度位置,激光能量越大,殘余壓應(yīng)力越大。由殘余壓應(yīng)力分布判斷,當(dāng)激光能量為4,6,8 J時,激光沖擊強化的影響層深度分別約為550,600,650 μm。

圖5 不同能量激光沖擊強化前后45鋼試樣的殘余應(yīng)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 對顯微硬度的影響

由圖6可以看出,未進(jìn)行激光沖擊強化時,45鋼表層的顯微硬度基本相同,均在280 HV左右。激光沖擊強化后,45鋼表層顯微硬度顯著提高,并隨深度增加而逐漸降低,最終與基體趨于一致;表面顯微硬度最高,激光能量為4,6,8 J時分別達(dá)到326,340,350 HV;在相同深度位置,激光能量越大,顯微硬度越大。由硬度分布曲線判斷,當(dāng)激光能量分別為4,6,8 J時,激光沖擊強化的影響層深度分別約為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]。

圖6 不同能量激光沖擊強化前后45鋼試樣的顯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 對摩擦磨損性能的影響

未強化和在4,6,8 J能量下激光沖擊強化后,45鋼試樣的平均摩擦因數(shù)分別為1.50,0.98,0.72,0.60,磨損質(zhì)量損失分別為271,196,165,157 mg。隨著激光能量增加,試樣的平均摩擦因數(shù)和磨損質(zhì)量損失減小,耐磨性能提高。由圖7可以看出:未進(jìn)行激光沖擊強化的45鋼試樣表面磨損較為嚴(yán)重,出現(xiàn)大量磨粒和剝落物,且剝落物發(fā)生了堆積,同時還存在一些因往復(fù)磨損而產(chǎn)生的裂紋,磨損形成的犁溝較深;激光沖擊強化后,試樣表面磨損程度顯著降低,未出現(xiàn)大量材料堆積的現(xiàn)象;隨著激光能量增加,磨損表面剝落物減少,犁溝的深度和寬度減小,當(dāng)激光能量為8 J時,磨損表面僅分布少量磨粒,剝落物數(shù)量最少,犁溝深度和寬度最小。綜上可知,激光沖擊強化有效提高了45鋼的表面抗摩擦磨損能力。

若材料屈服極限高于摩擦磨損引入的切應(yīng)力,裂紋不易萌生,材料耐磨性能提升。由前文可知,隨著激光能量增加,45鋼試樣表面的塑性變形程度增加,誘導(dǎo)的位錯密度更高,殘余壓應(yīng)力更大。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系,高密度位錯有助于提高材料的屈服極限,因此激光沖擊強化后45鋼的抗摩擦磨損能力得到提升,并且激光能量越高,抗摩擦磨損能力越強[15-16];此外,激光沖擊強化誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力可以抵消往復(fù)磨損過程中產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力,減緩甚至抑制摩擦磨損過程中裂紋的擴展,使其轉(zhuǎn)換成非擴展性裂紋,且有利于提高短裂紋的閉合力,因此在摩擦磨損過程中試樣表面不易出現(xiàn)大面積的表面損傷,最終表現(xiàn)出耐磨性能的提升[9]。

3 結(jié) 論

(1) 激光沖擊強化使45鋼表層產(chǎn)生晶格畸變,并誘導(dǎo)形成了高密度位錯結(jié)構(gòu)和較大的殘余壓應(yīng)力;隨著激光能量增加,晶格畸變程度和殘余壓應(yīng)力均增大。

(2) 隨著激光能量增加,45鋼的顯微硬度和耐磨性能提高,磨損表面剝落物減少,犁溝的深度和寬度減小;當(dāng)激光能量為8 J時,顯微硬度達(dá)到345 HV,平均摩擦因數(shù)和磨損質(zhì)量損失分別減少到0.61和157 mg。

(3) 激光沖擊強化誘導(dǎo)產(chǎn)生的高密度位錯和殘余壓應(yīng)力,有效降低了磨損過程中裂紋的萌生與擴展,提高了45鋼的抗摩擦磨損能力。