发布日期：2024-11-26 03:36 点击次数：173
0. 小引
大宽阔金属零件失效源于其名义,名义强化工艺不错灵验改善金属名义齐全性,提高零件力学性能。常用的名义强化工艺有喷丸强化[1]、超声滚压强化[2]、超声冲击强化[3]、激光冲击强化[4-5]等。其中,激光冲击强化（LSP）具有峰值压力高、应变速度大和纯真性好等优点,其通过引导金属名义塑性变形来改善微不雅结构,引入残余压应力,从而显赫提高金属零件的抗倦怠性[6]、耐磨性[7]、耐腐蚀性[8],因此取得了芜俚体恤。
然则,关于难变形材料,激光冲击强化工艺引入的残余压应力影响层深度有限。为惩办这一问题,一些学者建议增添热效应赞成提高材料塑性来进步激光冲击强化成果的神志[9-10]。YE等[11]以AISI 4140钢为连络对象,建议了以加热板为热源的高温赞成激光冲击强化（WLSP）工夫,WLSP工夫纠合了应变时效和动态析出效应,能在提高西席材料塑性的同期产生新的千里淀相,灵验提高了残余压应力褂讪性,从而增强了抗倦怠性。然则,接管传统加热板为热源进行高温赞成时,其加热纯真性差、效劳低,况兼需要使用高温易翻脸的玻璃看成管理层,无法用于曲面加工。激光看成一种局部加热形状,能量密度高,能在短时刻内对光斑区域终了快速精确加热[12]。周建东等[13]研发了一种硬脆材料用高功率贯穿激光赞成加热+高功率脉冲激光喷丸强化处理相纠合的神志及配套装配,接管胡耀武等[14]在脉冲激光强化的基础上增添多束低功率蓝光半导体激光赞成加热,相较于传统激光冲击强化增强了材料的倦怠性能和断裂韧性。
接管激光对强化面进行赞成加热时受管理层影响其加热成果不显着。后头贯穿激光加热不仅不错终了使用流动水看成管理层,还能增强热效应,加多热影响层厚度。现在,关连后头贯穿激光赞成激光冲击强化成果的连络显着不及。为此,作家接管高能激光束局部加热试样后头+脉冲激光冲击强化试样正面的神志对TC4钛合金板进行名义强化处理,以未强化和传统激光冲击强化试样为对比,连络了不同贯穿激光功率下试样温度、物相、硬度和名义及深度场所残余应力散播。
1. 试样制备与西席神志
西席材料为退火态TC4钛合金轧制板材,尺寸为1 000 mm×800 mm×2 mm,由宝鸡福瑞隆新材料科技发展有限公司提供,化学要素（质地分数/%）为6.24Al,0.174Fe,4.34V,0.009C,0.000 6H,0.006N,0.141O。
在钛合金板上切取尺寸为30 mm×15 mm×2 mm的试样,试样正面治安经240#~2 000#砂纸打磨并进行超声波清洗后,接管TRLi ST 850-10型Nd∶YAG脉冲激光器和YLR-200-MM-AC型贯穿波光纤激光器进行贯穿激光赞成激光冲击强化（AP-LSP）,强化区域如图1（a）所示。试样沿预设的扫描旅途出动,脉冲激光和贯穿激光从两侧同轴鉴识作用在试样正面和后头,如图1（b）所示。脉冲激光波长为1 064 nm,频率为1 Hz,脉宽为10 ns,激光能量密度为6 GW·cm−2,圆形光斑直径为1.0 mm,搭接率为50%,保护层为120 μm厚的铝箔,管理层为流动水；贯穿激光波长为1 064 nm,圆形光斑直径为6 mm,功率为40~100 W。使用TCM-UA型热电偶和AT61P6X型红外测温仪监测试样正后头温度,测点在激光照命中心区域。坚决化前的试样和不进行贯穿激光赞成的脉冲激光冲击强化试样（工艺参数疏通）看成对照。
图 1 贯穿激光赞成激光冲击强化区域及历程暗意
Figure 1. Area (a) and process (b) diagrams of continuous laser-assisted laser shock peening
接管VK-X200K型激光共聚焦显微镜不雅察试样后头三维形色并测试其名义约略度。接管XRD-7000型X射线衍射仪（XRD）对试样正面进行物相分析,扫描电压为40 kV,扫描电流为30 mA,扫描速度为5 （°）·min−1,扫描范围在30°~90°ag平台百家乐。接管HV-1000Z型显微硬度计测试试样正面显微硬度,载荷为0.98 N,保载时刻为10 s。接管AST-XL640型残余应力测试系统测试残余应力,铜靶,Kα射线,衍射角在135°~148°,测试电压为25 kV,电流为6 mA,准直管光斑直径为2 mm,应力常数为−277 MPa,测试晶面为{213}晶面,{213}晶面的X射线弹性常数�1{213}和12�2{213}鉴识为−2.83×10−6,11.68×10−6 mm2·N−1,使用sin² Ψ法分析测试法例。使用由4% HF+ 14% HNO3 + 82% H2O（体积分数）配制而成的溶液对试样进行电解剥层以测试不同深度的残余应力,使用配套的螺旋测微仪测量电解剥层深度,每次腐蚀10 s,每层测3点,直到残余应力为拉应力时收尾西席。
2. 西席法例与商榷
2.1 后头三维形色和温度
由图2可见：贯穿激光赞成激光冲击强化前试样后头均呈贯穿凹凸不屈的峰谷形色,峰谷之间最大高度差为9.4 μm。狡计可得不同试样的后头形色相似,后头的名义约略度Ra均在0.94~0.99 μm,因此不错忽略后头约略度互异对贯穿激光汲取率的影响,以为悉数试样后头对赞成加热的激光汲取率疏通。
图 2 贯穿激光赞成激光冲击强化前不同试样后头三维形色
Figure 2. Three-dimensional morphology of back surface of different samples before continuous laser-assisted laser shock peening
由图3可见：跟着贯穿激光功率由40 W增大至100 W,试样后头温度从110 ℃提高至310 ℃,呈线性升高；正面温度相似呈飞腾趋势,但升温速度减小,最终正面温度褂讪在90~95 ℃。这是因为试样正面除空气外还有流动水管理层,跟着激光功率增大,正面温度与水温的温差增大,热流密度增大,单元时刻内的传热热量增大,对流换热剧烈,是以正面温度升高趋势缓缓稳重。
图 3 贯穿激光赞成激光冲击强化试样正面和后头温度随贯穿激光功率的变化弧线
Figure 3. Chang curves of front (a) and back (b) temperature vs continuous laser power of continuous laser-assisted laser shock peening sample
2.2 物相构成
TC4钛合金中β相含量较少且散播脱落,XRD检测难以聚集对应峰。由图4可见：未强化和不同工艺激光强化试样的XRD谱中主要为α相衍射峰；比较未强化试样,激光冲击强化和贯穿激光赞成激光冲击强化试样的XRD谱中均无新峰出现,标明强化历程中的温度并未达到TC4钛合金的相变温度。
图 4 未强化、激光冲击强化和不同功率贯穿激光赞成激光冲击强化试样的XRD谱
Figure 4. XRD patterns of samples without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power
2.3 名义硬度
由图5可见：未强化、激光冲击强化试样的正面硬度鉴识为346.1,368.7 HV,不同功率贯穿激光赞成激光冲击强化试样的正面硬度在373.9~378.5 HV,功率的变化对硬度影响实在不错忽略不计。材料硬度主要受晶粒大小和位错密度的影响,激光冲击强化后试样正面上层位错密度增大,硬度提高；贯穿激光赞成会使试样温度升高,改善其塑性,从而提高强化成果,但由于温度提高幅度较小（100 ℃以下）,同期温度的升高也会加快位错消亡,因此贯穿激光赞成激光冲击强化试样的硬度相较激光冲击强化试样提高不显着。
图 5 未强化、激光冲击强化和不同功率贯穿激光赞成激光冲击强化试样的名义显微硬度
Figure 5. Surface microhardness of samples at without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power
2.4 残余应力
由图6可见：未强化试样、激光冲击强化试样和贯穿激光赞成激光冲击强化试样的名义残余压应力治安加多。未强化试样的残余压应力由磨抛引入；对其进行激光冲击强化后由于温度升高,材料软化,塑性变形才能提高,因此残余压应力加多；使用高能激光束在其后头进行赞成加热后,在激光冲击效应和加热效应的共同作用下材料的塑性变形才能更强,变形进程更大,使得残余压应力进一步增大。跟着贯穿激光功率加多,试样名义残余压应力先加多后减小,这是因为在流动水管理层的冷却作用下,功率顺应的激光不错在快速对试样进行精确局部加热的同期幸免试样举座温度进步而导致的硬度裁减和残余应力开释,而激光功率过高则会使热量积蓄,使得试样举座处于较高温度,从而导致残余应力温存[15]。
图 6 不同处理态试样的残余应力沿深度场所散播
Figure 6. Residual stress distribution along depth direction of samples at different treatment states
未强化试样、激光冲击强化试样和贯穿激光赞成激光冲击强化试样的残余压应力影响层深度治安增大；跟着贯穿激光功率加多,残余压应力影响层深度先增后减,当贯穿激光功率为60 W时达到最大,为470 μm,比较激光冲击强化试样（370 μm）加多了100 μm。跟着距材料正面（强化面）距离加多,激光冲击波峰值压力缓缓衰减,引导塑性变形才能减轻；加多贯穿激光后头赞成加热后材料声阻抗减小,减缓了冲击波在材料里面的衰减,使得冲击波传播距离更远,梗概引导更深处的材料发生塑性变形；然则,贯穿激光作用导致的残余应力加多和温度升高引起的残余应力温存存在竞争机制,激光功率过大时反而会使残余应力大小和影响层深度减小[15]。
3. 论断
（1）跟着贯穿激光功率增大,贯穿激光赞成激光冲击强化TC4钛合金试样后头温度呈线性升高,正面温度相似升高但升高趋势变缓,缓缓趋于牢固,且强化历程中温度的升高未激勉TC4钛合金相变。
（2）相较未强化和激光冲击强化试样,贯穿激光赞成激光冲击强化试样的正面硬度增大,但贯穿激光功率变化对硬度无显赫影响。
（3）相较未强化和激光冲击强化试样,贯穿激光赞成激光冲击强化试样的名义残余压应力和残余压应力影响层深度加多,况兼二者均跟着贯穿激光功率加多呈先加多后减小的趋势,当贯穿激光功率为60 W时达到最大,鉴识为431.4 MPa,470 μm。
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