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激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高汪诚;赖志林;安志斌;何卫锋;周留成【摘要】对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa；激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8％.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(034)003【总页数】4页(P331-334)【关键词】TC4钛合金;激光冲击强化;激光熔覆;高周疲劳性能;残余应力;纳米晶层【作者】汪诚;赖志林;安志斌;何卫锋;周留成【作者单位】空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038;空军工程大学等离子体动力学重点实验室,陕西西安710038【正文语种】中文【中图分类】TG665TC4钛合金由于具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等特点，广泛应用于航空发动机风扇、涡轮等重要部件.在使用过程中，由于应力腐蚀开裂和疲劳的原因［1］，造成有部分航空发动机的部件达不到设计使用时限.如何对产生裂纹后的钛合金部件进行修复和强化，提高钛合金构件的疲劳强度，延长其服役寿命，提高其工作可靠性，已受到人们的关注.激光熔覆技术可对金属损坏部件进行高质量修复，与工业中常用的堆焊、氩弧焊和等离子喷焊等相比，具有热影响区小、工件变形小、熔覆区硬度高等优点［2］.因此，通过在材料表面形成保护层来提高材料的抗磨损、抗腐蚀性能，从而提高部件的可靠使用时间，现在激光熔覆技术已经在燃气轮机叶片和阀门座的修复中得到应用［3］.但激光熔覆可能产生结合力不足的拉应力层，以及高密度激光束引起的重熔会影响金属结构性能和疲劳性能.激光冲击强化(LSP)是一种新的表面处理工艺.通过高能量密度短脉冲(纳秒数量级)激光束产生的高强度冲击波引起材料表面改性，能够产生数百MPa的残余压应力，大幅提高材料的表面硬度、强度和疲劳性能［4］.国内对激光冲击强化用于提高材料焊接接头性能进行了很多研究［5］.许海鹰等［6］用脉宽30 ns、能量40 J的调Q掺钕玻璃激光对TC4钛合金钨极惰性气体(TIG)焊焊缝进行了激光冲击强化处理，处理后焊接区域表面硬度增加，热影响区晶粒得到细化.研究表明［7］，与传统表面处理工艺相比，激光冲击强化在表面下产生的纳米组织和残余应力使得金属具有较高热稳定性.对于发动机涡轮叶片等高温部件，热稳定性至关重要，而钛合金常用作涡轮叶片.为此，本研究主要进行激光冲击强化提高熔覆后钛合金的高周疲劳性能和抗应力腐蚀开裂性能的研究.1 材料与方法材料为TC4钛合金试样.TC4为中等强度的α+β型两相钛合金.TC4化学成分如下:w(Al)=5.500%～6.800%，w(V)=3.500%～4.500%，w(Fe)≤0.300%，w(C)≤0.100%，w(N)≤0.050%，w(H)≤0.015%，w(O)≤0.200%，w(Ti)其余.TC4熔覆工件规格140 mm×28 mm，厚度25 mm，处理区域60 mm×28 mm，如图1所示.激光熔覆所用的试验装置由RS－850型5 kW的CO2连续激光器、LPM－408四轴联动工作台、JPSF－2型送粉器、送粉嘴和辅助装置组成，载粉气体和激光熔池保护气体为氩气.粉末为TC4钛合金粉末，微粒为60～120 μm球体.熔覆参数如下:激光能量2400 W，扫描速度为8 mm·s－1，光斑直径为2.5 mm，送粉速度为5 g·min－1，重复率为30%.图1 试件及凹槽处理区域激光冲击强化试验在本单位开发的激光冲击强化系统YLSS－05A上完成.整套系统由SGH－60型高功率调Q脉冲Nd:YAG激光器、五自由度工件夹持运动平台、水约束系统和控制与监控系统4部分组成.激光器参数:激光波长为532 nm，激光能量为6 J，功率密度为4 GW·cm－2，脉宽为10 ns，光斑搭接率为70%，水约束层厚度为2 mm，吸收保护层为0.1 mm的铝箔.对基体、热影响区和修复区进行激光冲击强化，强化区域如图2所示.图2 激光强化区域和残余应力测试点示意图2 结果及分析2.1 显微硬度使用HVS－1000型显微硬度计，采用静态压痕法，加载重量为500 g，加载时间为10 s，每个区域测量5个点，取平均值.显微硬度测试结果如表1所示.表1 两种工艺处理后焊接件硬度比较工艺区域硬度/HV熔覆基体348±21修复区333±15热影响区315±18熔覆+激光冲击强化基体397±17修复区381±14热影响区370±23硬度反映了不同区域不同晶相组织和性能.与未进行激光冲击强化的修复件相比，激光熔覆+激光冲击强化处理过的试样基体、修复区和热影响区硬度都得到提高.根据Rabinowicz磨损定律［8］:式中:W是每单位滑行距离的磨损体积;P是实际载荷;H是磨损表面的硬度;K是磨损系数.可见，硬度增加时，摩擦系数峰值减小，硬度的增加能够提高材料抗磨损性能.2.2 残余应力采用X－350A X射线应力测定仪，试验执行GB 7704—87《X射线应力测定方法》的规定，测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Cr-Kα辐射.在基体、热影响区、修复区按比例各选5个测试点进行测量，取平均值.测试点和区域示意图如图2所示，测量方向为轴向.残余应力测试结果见表2.表2 两种工艺处理后焊接件残余应力工艺区域残余应力/MPa激光熔覆基体－11.5±12.4修复区224.7±15.3热影响区28.4±15.8激光熔覆+激光冲击强化基体－671.8±13.6修复区－448.9±11.5热影响区－659.4±17.7由表2可知:激光冲击强化后在材料表面产生了残余压应力，基体的残余应力由－11.5 MPa增加到－671.8 MPa.激光冲击强化后修复区和热影响区的残余应力分别为－448.9 MPa和－659.4 MPa，而强化前的残余应力分别为224.7 MPa和28.4 MPa，为拉应力.其他研究者的结果也证实了激光熔覆会产生残余拉应力［3］.这是由于熔覆时凝固收缩引起的.对于多层结构，由热梯度下降和塑性流动对残余应力的解除作用减弱，从而在材料表面形成较高残余应力.材料表面残余压应力对材料抗疲劳强度有显著影响.残余应力在疲劳载荷中起着平衡应力的等效作用，残余压应力相当于负的平均残余应力，能提高工件抗疲劳强度;残余拉应力则会降低工件抗疲劳强度.残余压应力高，工件抗疲劳性能强.另一方面，残余压应力能使部件实际承受的裂纹尖端应力强度因子幅值ΔK下降，从而降低裂纹扩展速率，提高部件的疲劳裂纹扩展抗力［9］.激光冲击强化处理熔覆工件，消除了熔覆产生的残余拉应力，在材料表面形成了残余压应力，从而提高材料的抗疲劳性能.2.3 组织形态激光熔覆试样横截面显微组织如图3所示.图3 横截面显微组织激光冲击强化前后试样组织结构和选区电子衍射如图4所示.透射电子显微镜(TEM)分析显示:3次激光冲击强化后，形成纳米级晶粒层(＜100 nm).由图4b中的选区电子衍射图可知:选区纳米级晶粒的角度较大.在部分激光冲击强化区域晶粒尺寸由冲击前几μm减小到冲击后20 nm.图4 激光冲击强化前后组织结构2.4 拉伸性能拉伸试验使用WDW－100万能试验机，参照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》，在室温下进行试验，拉伸速度为0.1 mm·min－1.不同试样的拉伸性能试验强度如表3所示.由表3可知:激光熔覆+激光冲击强化试样的拉伸性能较好.表3 TC4钛合金不同处理方式下的拉伸强度 MPa2.5 高周疲劳性能疲劳强度是表征材料与结构疲劳性能的重要参量之一.取两种状态试件各20件，参照HB 5287—1996《金属材料轴向加载疲劳试验方法》，在MTS880试验机上进行高周疲劳试验.应力比R=0.1，加载频率为100 Hz，温度为25℃.试验数据分析和处理参照HB/Z 112—86《材料疲劳试验统计分析方法》进行，根据试验应力和对数循环次数在图上作点，绘制S－N曲线(见图5).由图5可知:激光冲击强化处理熔覆试件后，疲劳强度由285 MPa增加到330 MPa，提高钛合金熔覆试件疲劳强度为15.8%.图5 TC4钛合金疲劳性能根据Tao N.R.等研究结果［10］，纳米级晶粒使材料表层界面体积分数大大提高，表面能增加，有利于部件疲劳寿命提高.S.Suresh研究［11］表明，残余压应力和表面加工硬化层的提高，对部件疲劳强度的提高有重要作用.激光冲击强化在材料表层产生纳米级的细化晶粒、数值高的残余压应力和较高的硬度，是部件疲劳性能提高的本质原因.3 结论1)激光熔覆+激光冲击强化的复合修复技术，是提高TC4钛合金高周疲劳性能的高效的表面修复工艺.激光冲击强化处理后的TC4钛合金激光熔覆试件，疲劳强度提高了15.8%.2)激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金疲劳性能的提高，是冲击形成的残余压应力和纳米晶层共同作用的结果.参考文献(References)【相关文献】［1］张永康，周立春，任旭东，等.激光冲击TC4残余应力场的试验及有限元分析［J］.江苏大学学报:自然科学版，2009，30(1):10－13.Zhang Yongkang，Zhou Lichun，Ren Xudong，et al.Experiment and finite element analysis on residual stress field in laser shock processing TC4 titanium alloy［J］.Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition，2009，30(1):10－13.(in Chinese)［2］张永康，周建忠，叶云霞.激光加工技术［M］.北京:化学工业出版社，2004:193－195. ［3］刘其斌，李绍杰.航空发动机叶片铸造缺陷激光熔覆修复层的组织结构［J］.金属热处理，2007，32(5):21－24.Liu Qibin，Li Shaojie.Microstructures of the laser clad coating repairing cast defect in aeroengine blade［J］.Heat Treatment of Metals，2007，32(5):21 －24.(in Chinese)［4］马壮.航空发动机部件激光冲击强化应用基础研究［D］.西安:空军工程大学工程学院，2008. ［5］Wang C，Zhou L C，He Q，et al.Experiment research on improving the fatigue life of 12Cr2Ni4A welding joints by laser shock processing［J］.Applied Mechanics and Materials，2011，43:467 －470.［6］许海鹰，邹世坤，车志刚，等，激光冲击次数对TC4氩弧焊焊缝微结构及性能的影响［J］.中国激光，2011，38(3):92－96.Xu Haiying，Zou Shikun，Che Zhigang，et al.Influence of laser shock processing times on TC4 argon arc welding joint microstructure and properties［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(3):92－96.(in Chinese)［7］Lu J Z，Zhong J W，Luo K Y，et al.Micro-structural strengthening mechanism of multiple laser shock processing impacts on AISI 8620 steel［J］.Materials Science and Engineering A，2011，528:6128 －6133.［8］Wang Z B，Tao N R，Li S，et al.Effect of surface nanocrystallization on friction and wear properties in low carbon steel［J］.Materials Science and Engineering A，2003，352:144 －149.［9］周建忠，徐增闯，黄舒，等.基于不同应力比下激光喷丸强化6061-T6铝合金的疲劳裂纹扩展性能研究［J］.中国激光，2011，38(9):0903006.Zhou Jianzhong，Xu Zengchuang，Huang Shu，et al.Effects of different stress ratios on fatigue crack growth in laser shot peened 6061-T6 Aluminum alloy［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(9):0903006.(in Chinese)［10］Tao N R，Sui M L，Lu J，et al.Surface nanocrystallization of iron induced by ultrasonic shot peening［J］.Nanostructured Materials，1999，11:433 －440.［11］Suresh S.Fatigue of Materials［M］.Cambridge:Cambridge University Press，1998:679 －685.。
第51卷第2期2021年3月吉林大学学报（工学版）Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)Vol. 51 No. 2Mar. 2021光斑直径对激光冲击强化铝合金腐蚀性能的影响罗开玉陈俊成、王长雨\鲁金忠1(1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013;2.江苏大学工程技术研究院，江苏镇江212013)摘要：为研究不同光斑直径对激光冲击强化6061-T6铝合金电化学腐蚀性能的影响，测量了 表面粗糙度和残余应力，进行了截面金相和电化学腐蚀实验。
结果表明：激光冲击强化使材料 的表层晶粒细化、表面粗糙度增大且产生残余压应力。
未冲击试样、2 m m和3 m m光斑直径 激光冲击试样的腐蚀电流密度分别为：154.5 fjiA/cm2、14.70 (xA/cm2和11.17 jiA/cm2，激光冲 击强化有效地提高了材料的耐腐蚀性能。
2 m m光斑直径激光冲击试样相比于3m m光斑直 径激光冲击试样拥有较差的表面形貌，其耐腐蚀性能较差。
关键词：激光冲击强化；铝合金；电化学腐蚀；表面粗糙度；残余应力中图分类号：T N249 文献标志码：A文章编号：1671-5497(2021)02-0501-10D O I：10. 13229/ki.jdxbgxb20200037Effect of spot diameter on corrosion resistance ofaluminum alloy subjected to laser shock peeningL U O Kai-yuK2,C H E N Jun-cheng1,W A N G Chang-y u^L U Jin-zhong1(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University，Zhenjiang212013，China；2. College of Engineering Technology，Jiangsu University, Zhenjiang 212013，China)Abstract：In order to investigate the effect of different spot diameters on the electrochemical corrosion resistance of 6061-T6 aluminum alloy subjected to laser shock peening, the surface roughness and residual stress of the alloy were measured.The cross-sectional metallographic and electrochemical corrosion experiments were carried out.Corroded specimens were observed and analyzed by scanning electron microscope (S E M)and energy dispersive spectroscopy (E D S). Results show that laser shock peening refines the surface grains of 6061-T6 alloy,increases the surface roughness and generates a compressive residual stress. The corrosion current densities of the untreated specimen,treated specimens with 2 m m and 3 m m spot diameters were 154.5 fiA/c m2,14.70 [i A/c m2 and 11.17 fiA/c m2，respectively, indicating that laser shock peening effectively improves the corrosion resistance. The treated specimen with 2 m m spot diameter had worse surface topographies than that of the treated specimen with 3 m m spot diameter, resulting i n the lower corrosion resistance.收稿日期：2020-01-14.基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFB1103603);国家自然科学基金项目（51775250,51875262);江苏省科技 计划项目（BE2017142);江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目（2019-GDZB-251).作者简介：罗开玉（1975-)，女，教授，博士生导师•研究方向：激光加工技术.E-mail:*************.cn• 502 •吉林大学学报（工学版）第51卷激光冲击区域''v助于提高耐腐蚀性，同时降低了 L S P 处理过的表 面的阳极溶解度。
第52卷第6期表面技术2023年6月SURFACE TECHNOLOGY·429·表面强化技术激光冲击TC17钛合金叶片的微观组织/应力演变及缺口振动疲劳性能徐明，孙汝剑，曹子文，邹世坤（中国航空制造技术研究院，北京 100024）摘要：目的提高航空发动机叶片的抗疲劳性能。
方法采用高功率密度短脉冲激光冲击某型发动机TC17钛合金整体叶盘叶片模拟件，并采用飞秒激光在进气边预制缺口。
通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征激光冲击前后的表层微观组织。
通过X射线衍射和三坐标测量仪分别测量激光冲击强化过程中的残余应力演变和宏观塑性变形，并由一阶弯曲振动疲劳对激光冲击强化效果进行评价。
结果激光冲击在TC17钛合金叶片表层诱导产生了高密度位错组织，但由于冲击次数的控制，未产生明显的晶粒细化效应。
激光冲击叶盆面后，叶盆面呈现压应力状态，残余应力为330.5 MPa，叶背面呈现拉应力状态，其值为55.5 MPa。
进一步激光冲击叶背面后，叶背面的拉应力转变为压应力，其值达到了267.0 MPa，叶盆面残余压应力减小，由330.5 MPa变为261.9 MPa。
激光冲击叶盆面后，进气边与叶尖交点偏离初始位置0.119 1、0.129 1 mm；冲击叶背面后，位移偏离初始位置减小，分别为0.071 08、0.099 mm。
激光冲击强化后，缺口振动疲劳寿命显著提升，平均循环次数由56 696周次增加到199 515周次，出现了明显的裂纹闭合效应。
结论激光冲击强化在TC17钛合金表层引入了高密度位错组织和双面贯穿式残余压应力，并将叶片宏观塑性变形控制在0.1 mm以内，在疲劳性能上获得了显著的提升。
关键词：激光冲击强化；TC17钛合金；叶片；微观组织；残余应力；缺口疲劳中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0429-10DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.040Microstructure/Stress Evolution and Notch Vibration Fatigue Property of Laser Shock Peened TC17 Titanium Alloy BladesXU Ming, SUN Ru-jian, CAO Zi-wen, ZOU Shi-kun(A VIC Manufacturing Institute, Beijing 100024, China)ABSTRACT: With the development of new generation aero-engines, the high weight reduction requirement leads to the thin design of blades. Trickily, these blades are vulnerable to complex loads such as rotating centrifugal force, air flow excitation收稿日期：2023–03–09；修订日期：2023–04–11Received：2023-03-09；Revised：2023-04-11基金项目：国家自然科学基金（52101103）Fund：The National Natural Science Foundation of China (52101103)作者简介：徐明（1981—），男，硕士。
tial基合金组织对拉伸性能的影
响
Tial基合金具有高抗腐蚀性能，但其对拉伸性能的影响仍然是显著的。
它的拉伸性能主要取决于合金组织中的晶界结构和组织。
由于TiAl基合金具有较高的晶粒尺寸和合金中各种强度因素的影响，它的拉伸性能也受到这些因素的影响，如体系中的晶界结构、相组成以及体系中存在的不同细菌、缺陷密度等。
TiAl基合金的拉伸性能与其晶界结构有关。
一般来说，TiAl基合金中的晶界结构越复杂，其拉伸性能就越低。
通常情况下，TiAl基合金的晶界结构多是四方相结构，这种结构的拉伸性能比单相结构的拉伸性能要低得多。
此外，TiAl基合金中的细菌数量也会影响其拉伸性能。
当TiAl基合金中存在大量细菌时，其拉伸性能会受到严重影响，这是因为细菌可能会降低TiAl基合金的拉伸强度。
此外，TiAl基合金中的缺陷密度也会影响其拉伸性能。
当TiAl基合金中的缺陷密度较高时，其拉伸强度会受到严重影响，这是因为缺陷可能会使TiAl基合金易于破坏。
T i A l基合金是一种新型高温结构材料，其密度低，高温性能如强度,抗蠕变性能较好，是650~1000℃使用的最佳候选材料。
（蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。
）但是室温塑性差、高温抗氧化性不是很好。
其性能与显微组织密切相关,其中粗大的全层状组织具有优良的高温抗蠕变性能和较高的断裂韧性,但其室温延性低；细小的双态组织具有优良的室温延性,但其高温抗蠕变性能和断裂韧性低。
TiAl基合金属于极难加工材料，通常在700℃以下范围内，其塑性极差，伸长率很低,无法进行塑性加工，在大于1100℃高温下，虽然塑性有所改变，但变形抗力仍然很大，因而很难对其进行塑性加工。
TiAl 合金4种典型组织:全片层组织、近层片组织、双态组织、近 单相组织。
全片层组织的TiAl合金表现出最佳的抗蠕变能力，但是其脆性高，室温塑性差。
高温时会得到全片层和近片层组织，提高抗蠕变性能。
所以焊接过程中可以通过预热和减小焊接速度来提高接头抗蠕变性能，TIAI基合金进行熔焊时,由于塑性变形能力差，所获接头易产生热裂纹,因而力学性能普遍较差。
所以降低冷却速度是减少裂纹产生的重要方法，TIG钨极惰性气体保护焊、激光焊、电子束焊：当在一定温度预热时，没有产生裂纹,但是在无预热的相同条件时接头存在大量裂纹；同时降低焊接速度也会减少裂纹的产生。
所以当采取预热和降低焊速等减缓冷却速度的方式时，可以避免裂纹产生。
因为冷速较大下α→γ相变完全被抑制，单一α相脆性很高，a+r相塑性好。
要想获得无裂纹焊缝必须促进α→γ相变，转变为块状γ相和层片组织。
固态连接：与熔焊相比,固态连接方法大多可控制热循环，从而改善连接质量。
扩散焊是一种有效连接TIAI基合金的方法。
连接过程中母材保留了原有的力学性能,并且接头拉伸性能几乎和母材相当, 但是扩散所需的温度高、时间长。
激光冲击强化对AZ31和AZ80-T6镁合金显微组织及力学性能的影响张青来;邵伟;张冰昕;吴铁丹;王荣【摘要】In order to study the effect of laser shock processing (LSP) on mechanical properties of magnesium alloys, the tensile stress−strain curves and microstructures of AZ31 and AZ80D-T6 magnesium alloys were investigated by electronic universal tensile machine and microhardness test. The results show that after LSP, the tensile strengths of AZ80-T6 and AZ31 alloys increase by 4.6% and 15.7%, the surface hardnesses increaseby 22.7% and 31.8%, respectively. The strengthening effect of LSP on AZ31 is more significant than that on AZ80D-T6. The LSP generates high value residual compressive stress and high-density twins as well as the fine lamellar or short columnar or dynamic precipitationβphases. The grains are refined and the ultrafine grains are formed. The effect of pre-agedβprecipitates on LSP strengthening effect and tensile fracture characteristics were discussed.%为了研究激光冲击强化(LSP)对镁合金力学性能的影响，采用电子万能拉伸机和显微硬度测试仪研究AZ31和AZ80D-T6镁合金拉伸应力−应变曲线和显微组织。
