隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，航空產(chǎn)品對(duì)結(jié)構(gòu)件的使用性能提出了越來越高的要求。TC4鈦合金作為現(xiàn)役航空產(chǎn)品上使用最廣泛的鈦合金材料之一，多用于制造航空產(chǎn)品上大尺寸的承力部件，這類零件在服役過程中受震動(dòng)載荷和外力的影響，發(fā)生變形和疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)較高，會(huì)大大降低服役壽命。為了提高零件在復(fù)雜環(huán)境下的使用壽命，需要對(duì)零件進(jìn)行表面改性處理。激光沖擊強(qiáng)化[Laser shock peening,LSP]技術(shù)是一種新型的材料表面改性技術(shù)，它是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)生等離子沖擊波，將沖擊波作用在零件表面，使零件表層材料產(chǎn)生微觀組織的變化并形成殘余壓應(yīng)力，從而提高材料抗疲勞、抗磨損和抗腐蝕等性能。本試驗(yàn)以TC4鈦合金為研究對(duì)象，使用X射線衍射儀、顯微硬度計(jì)分析激光沖擊強(qiáng)化工藝對(duì)TC4鈦合金殘余應(yīng)力及顯微硬度的分布規(guī)律，采用激光共聚焦顯微鏡來獲取激光沖擊強(qiáng)化后樣品表面的三維形貌信息，獲取高分辨率的表面形貌數(shù)據(jù)，定量評(píng)估激光沖擊強(qiáng)化對(duì)表面形貌的影響。

1、試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為退火態(tài)TC4鈦合金板材，試樣制備前先對(duì)其進(jìn)行650℃× 240min[爐冷]的真空去應(yīng)力退火,再進(jìn)行無應(yīng)力拋光處理,待激光沖擊強(qiáng)化試樣尺寸為20mmx20mmx20mm。激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)采用Nd:YAG激光器，吸收保護(hù)層和約束層分別采用0.1mm厚鋁箔和約1mm厚的去離子水層，工藝參數(shù)見表1,強(qiáng)化后使用X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，采用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測(cè)，采用激光共聚焦顯微鏡獲取激光沖擊強(qiáng)化后試樣表面的三維形貌信息。

表1 激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)

Table 1 Process parameters of the LSP

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1殘余應(yīng)力分布

圖1為4種激光沖擊強(qiáng)化工藝處理后，試樣表面殘余應(yīng)力隨深度變化情況。殘余應(yīng)力深度測(cè)試過程采用腐蝕剝離法，以不引入加工應(yīng)力的前提下逐漸增加測(cè)試位置與初始表面之間的距離。由圖1可以看出，激光沖擊強(qiáng)化TC4鈦合金表面殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，主應(yīng)力[σ主]隨著測(cè)試深度的增加而逐漸減小，其中工藝4處理試樣的應(yīng)力水平最高，工藝1處理試樣的應(yīng)力水平最低，工藝3處理試樣與工藝4處理試樣的應(yīng)力水平相當(dāng)，而不同測(cè)量角度[]下的應(yīng)力值并未隨深度變化呈現(xiàn)明顯規(guī)律，這說明主應(yīng)力測(cè)試方法較通常進(jìn)行的單次測(cè)量能夠更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)出測(cè)量位置的殘余應(yīng)力水平。

通過對(duì)比1號(hào)和2號(hào)工藝的σ_主 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),增加激光能量會(huì)增加激光功率密度，從而增加沖擊波強(qiáng)度，獲得更高表面殘余壓應(yīng)力和應(yīng)力層深度。通過對(duì)比2~4號(hào)工藝的σ_主 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),多次沖擊可以改善部件表面殘余壓應(yīng)力分布，增大表面殘余壓應(yīng)力和應(yīng)力層深度。但隨著沖擊次數(shù)增多，材料硬化，增大了動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使材料的塑性變形更加困難，應(yīng)力層深度不會(huì)隨沖擊次數(shù)增加而一直增大。

上述殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化能夠在TC4鈦合金表面 1~2 mm深度范圍內(nèi)引入顯著的殘余壓應(yīng)力。這些殘余壓應(yīng)力在表面層形成一種壓縮狀態(tài)，殘余壓應(yīng)力不僅可以減小金屬材料表面的裂紋擴(kuò)展傾向，提高材料的抗疲勞性能，還可以抵消外界應(yīng)力對(duì)金屬材料的影響，減少應(yīng)力腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂的傾向。

2.2組織和硬度

硬度可反映材料的綜合性能，表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形的能力。圖2為4種工藝激光沖擊強(qiáng)化試樣的表面顯微硬度隨深度變化的情況，可以看出，顯微硬度隨深度的增加而不斷減小，并逐漸穩(wěn)定于基體硬度值310 HV0.5。根據(jù)硬度變化曲線可以大致判斷出不同工藝處理試樣的激光沖擊強(qiáng)化深度，1~4號(hào)工藝處理試樣的強(qiáng)化深度分別約為0.8、1.0、1.8和1.5mm。

從圖2可以明顯看出, 4個(gè)試樣的顯微硬度從低到高排序?yàn)?1、2、4、3號(hào)工藝,其規(guī)律與圖 1所體現(xiàn)的殘余應(yīng)力排序規(guī)律一致。這是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力和顯微硬度均受塑性變形后的位錯(cuò)增殖的影響。硬度和殘余應(yīng)力之間存在一定的相關(guān)性，這是由激光沖擊強(qiáng)化過程的物理效應(yīng)所決定的。高硬度表面能夠抵抗外界的劃傷、磨損和變形，從而減少局部應(yīng)力集中的可能性。這使得材料在受到疲勞加載時(shí)能夠更好地抵抗表面損傷和裂紋的擴(kuò)展。激光沖擊強(qiáng)化過程引入的殘余應(yīng)力可以改善金屬材料的應(yīng)力分布，它可以抵消外部加載時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中，并將應(yīng)力分散到材料的整個(gè)截面，這有助于減少裂紋的起始和擴(kuò)展，提高材料的抗疲勞性能。

2.3表面形貌

圖3為激光共聚焦顯微鏡成像圖，可以直觀地看出3號(hào)工藝處理試樣的表面起伏情況最嚴(yán)重，3號(hào)工藝處理試樣在搭接位置有明顯的隆起現(xiàn)象，2號(hào)工藝處理試樣表面平整度較好，1號(hào)工藝處理試樣表面最平坦。這說明在激光沖擊強(qiáng)化工藝中，激光功率對(duì)沖擊坑深度有直接影響，較高的激光功率通常會(huì)導(dǎo)致更深的沖擊坑，而較低的激光功率則會(huì)產(chǎn)生較淺的沖擊坑。高功率激光的能量密度足夠大，可以引起金屬材料發(fā)生更大程度的塑性變形，從而形成較大的凹坑或壓痕。強(qiáng)化次數(shù)是激光沖擊強(qiáng)化過程中的另一個(gè)重要參數(shù)，它對(duì)沖擊坑深度有一定的影響。通常情況下，增加強(qiáng)化次數(shù)可以導(dǎo)致沖擊坑的深度增加。隨著連續(xù)進(jìn)行多次沖擊強(qiáng)化，每次沖擊都會(huì)在金屬表面形成一定的沖擊坑。這些沖擊坑的疊加效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致整體的沖擊坑深度增加。每次沖擊坑的形成都會(huì)改變金屬表面的形貌和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響下一次沖擊的結(jié)果。

激光功率和強(qiáng)化次數(shù)導(dǎo)致較高殘余應(yīng)力和硬度的同時(shí)也增加了表面粗糙度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮多個(gè)因素，并進(jìn)行試驗(yàn)研究以確定最佳的強(qiáng)化次數(shù)和其他工藝參數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)所需的沖擊坑深度和表面改性效果。

3、結(jié)論

1）激光沖擊強(qiáng)化TC4鈦合金表面殘余應(yīng)力測(cè)試發(fā)現(xiàn)，主應(yīng)力測(cè)試方法較通常進(jìn)行的單次測(cè)量能夠更加準(zhǔn)確地體現(xiàn)出測(cè)量位置的殘余應(yīng)力水平。增加激光能量會(huì)增加激光功率密度，從而增加沖擊波強(qiáng)度，獲得更高的表面殘余壓應(yīng)力峰值，且主應(yīng)力峰值隨著深度的增加而逐漸減小。多次沖擊可以提高TC4鈦合金表面殘余壓應(yīng)力峰值和深度，但應(yīng)力層深度不會(huì)隨沖擊次數(shù)增加而一直增大。

2）激光沖擊強(qiáng)化TC4鈦合金表面硬度和殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，從試樣硬度變化曲線可以大致判斷出不同試樣的激光沖擊強(qiáng)化深度。脈沖能量20J、沖擊1次試樣的強(qiáng)化深度約為0.8mm,脈沖能量30J、沖擊1~3次試樣的強(qiáng)化深度分別約為1.0、1.8和1.5mm。

3）提高激光功率和強(qiáng)化次數(shù)，在獲得較高的表面殘余壓應(yīng)力和硬度的同時(shí)，也會(huì)增加表面粗糙度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮多個(gè)因素，實(shí)現(xiàn)所需的表面質(zhì)量和表面改性效果。

參考文獻(xiàn):

[1]國(guó)凱，武沖，孫杰.航空整體結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工變形預(yù)測(cè)及控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2022，65[21]:112-127.

Guo Kai, Wu Chong, Sun Jie. Research progress on NC machining distortion prediction and control technology of aeronautical monolithic components[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2022, 65[21]:112-127.

[2]蘇振龍.大型航空結(jié)構(gòu)件比較式的優(yōu)化設(shè)計(jì)[].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015[12]:15-16.

[3]譚聰，肖寒，張宏宇，等.固溶時(shí)效對(duì)海綿鈦/電解鈦熔煉TC4鈦合金熱軋板材組織與性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2020，49[12]:4290-4296.

Tan Cong, Xiao Han, Zhang Hongyu, et al. Effect of solution and aging treatment on microstructure and properties of TC4 titanium alloy hot-rolled sheet by sponge titanium/electrolytic titanium melting[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2020, 49[12]:4290-4296.

[4]鄒偉，彭金波，韓中寶.TC2鈦合金的高溫力學(xué)性能及預(yù)測(cè)模型[J].金屬熱處理，2026，51[1]:56-64.

Zou Wei, Peng Jinbo, Han Zhongbao. High-temperature mechanical properties and predictive models of TC2 titanium alloy[J]. Heat Treatment of Metals, 2026, 51[1]: 56-64.

[5]孫汝劍，李劉合，朱穎，等.激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC17鈦合金微觀組織及拉伸性能的影響[J].稀有金屬材料與工程，2019，48[2]:491-499.

Sun Rujian, Li Liuhe, Zhu Ying, et al. Effect of laser shock peening on microstructure and tensile properties of TC17 titanium alloy[J].Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48[2]: 491-499.

[6]昝耀旭，賈蔚菊，趙恒章，等.激光沖擊對(duì)Ti834合金殘余應(yīng)力及顯微組織的影響[J].稀有金屬材料與工程，2019，48[11]:3535-3540.

Zan Yaoxu, Jia Weiju, Zhao Hengzhang, et al. Effect of laser shock processing on residual stress and microstructure of Ti834 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2019, 48[11]:3535-3540.

[7]喬紅超，胡憲亮，趙吉賓，等.激光沖擊強(qiáng)化的影響參數(shù)與發(fā)展應(yīng)用[].表面技術(shù)，2019，48[12]:1-9，53.

Qiao Hongchao, Hu Xianliang, Zhao Jibin, et al. Influence parameters and development application of laser shock processing[J]. Surface Technology,2019,48[12]:1-9,53.

[8]魯金忠.激光沖擊強(qiáng)化鋁合金力學(xué)性能及微觀塑性變形機(jī)理研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2010.

Lu Jinzhong. Investigation of laser shock processing on the mechanical properties and micro-plastic deformation mechanism of LY2 aluminum alloy[D]. Zhenjiang: Jiangsu University,2010.

[9]聶祥樊，何衛(wèi)鋒，王學(xué)德，等.激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC17鈦合金微觀組織和力學(xué)性能的影響[].稀有金屬材料與工程，2014，43[7]:1691-1696.

Nie Xiangfan, He Weifeng, Wang Xuede, et al. Effects of laser shock peening on microstructure and mechanical properties of TC17 titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2014, 43[7]:1691-1696.

[10]聶祥樊，龍霓東，劉海雷，等.激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC17表面硬度的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012[1]:198-200.

Nie Xiangfan, Long Nidong, Liu Hailei, et al. Effect of laser shock peening on surface hardness of TC17 titanium alloy[J]. Machinery Design& Manufacture, 2012[1]: 198-200.

[11]喬紅超，高宇，趙吉賓，等.激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研究進(jìn)展印.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2015，25[7]:1744-1755.

Qiao Hongchao, Gao Yu, Zhao Jibin, et al. Research process of laser peening technology[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25[7]: 1744-1755.

（注，原文標(biāo)題：激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TC4鈦合金殘余應(yīng)力及表面質(zhì)量的影響_康沖）

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