航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片由于所處的工作環(huán)境惡劣，既受到低頻拉應(yīng)力作用，又在發(fā)動(dòng)機(jī)和氣流的激振下高頻振動(dòng)，當(dāng)葉片承受的交變應(yīng)力幅值達(dá)到臨界時(shí)容易產(chǎn)生疲勞斷裂，引起裂紋折斷等故障，嚴(yán)重影響航空安全性。激光沖擊強(qiáng)化是一種新型金屬表面強(qiáng)化技術(shù)，是利用高功率密度激光束照射在金屬零件表面，涂覆在金屬表面的吸收層吸收激光束的能量形成等離子體，等離子體在約束層束縛下野爆炸冶而產(chǎn)生高壓沖擊波作用于材料表面，從而在材料近表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，能有效地改善材料的抗疲勞、耐磨損和防腐蝕等性能[1-6]。相比于傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)，激光沖擊強(qiáng)化（lasershockpeening，LSP）處理具有非接觸、可控性強(qiáng)、無熱影響區(qū)和強(qiáng)化效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍工國(guó)防、石油化工、海洋船舶和航空航天等領(lǐng)域。
某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料為TA11鈦合金，名義成分為Ti-8Al-1Mo-1V，本文采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對(duì)葉片進(jìn)行處理，研究過程中激光沖擊強(qiáng)化對(duì)TA11葉片表面應(yīng)力、顯微硬度、金相組織等性能的影響，為提高葉片的疲勞性能和疲勞壽命提供理論基礎(chǔ)與試驗(yàn)依據(jù)。
1、試驗(yàn)部分
1.1試驗(yàn)參數(shù)
采用Nd：YAG激光沖擊強(qiáng)化設(shè)備對(duì)TA11鈦合金葉片進(jìn)行強(qiáng)化，單脈沖能量最高可達(dá)25J，采用雙面對(duì)沖時(shí)每路能量最大為12.5J，具體參數(shù)見表1。
為了防止強(qiáng)化引起的葉片變形，采用雙面對(duì)沖的方式進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，如圖1所示。對(duì)沖時(shí)兩路激光脈沖能量差小于10%，光斑直徑差小于0.1mm，光程差控制在5mm內(nèi)。由于葉片型面復(fù)雜，為達(dá)到強(qiáng)化過程定位精度高、光斑搭接均勻、葉片裝夾可重復(fù)等要求，采用葉片激光沖擊專用夾具用于固定。
1.2測(cè)試方法
表面應(yīng)力通過Proto-LXRD型X射線應(yīng)力儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試方法參照ASTME975-84標(biāo)準(zhǔn)；顯微硬度通過顯微硬度儀進(jìn)行測(cè)試，施加載荷4.9N，保持載荷時(shí)間為15s；金相組織采用NEOPHOT-21型金相顯微鏡進(jìn)行采集；超微內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用CM-200型透射電鏡觀察，加速電壓為200kV。由于電化學(xué)腐蝕鈦合金將產(chǎn)生腐蝕坑，因此采用普通的化學(xué)腐蝕方法，腐蝕液為硝酸和氫氟酸的水溶液。
2、結(jié)果與討論
2.1表面應(yīng)力
通過對(duì)葉片表面進(jìn)、排氣邊和葉根處進(jìn)行強(qiáng)化殘余應(yīng)力測(cè)試，并與葉身未強(qiáng)化處進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見表2，其中A、B分別表示在進(jìn)氣邊、排氣邊和葉根處（均為葉盆、葉背兩面）任選兩點(diǎn)。可見，葉片表面應(yīng)力都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，相比未強(qiáng)化的葉身殘余應(yīng)力為-178MPa，經(jīng)強(qiáng)化后各處的殘余應(yīng)力均值基本在-620MPa以上，效果較好。
繼而針對(duì)葉盆進(jìn)氣邊和葉盆出氣邊的殘余應(yīng)力隨深度的分布情況進(jìn)行測(cè)試，具體結(jié)果見表3。可見，在1mm厚的薄葉片上進(jìn)行雙面激光沖擊強(qiáng)化，整個(gè)厚度區(qū)域內(nèi)均為壓應(yīng)力，不存在拉應(yīng)力，且隨著深度的增加殘余應(yīng)力值逐漸降低。
2.2顯微硬度
在未經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的葉片表面隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)并標(biāo)記，通過顯微硬度儀測(cè)量維氏硬度，經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化再測(cè)這些標(biāo)記點(diǎn)的維氏硬度，具體結(jié)果見表4。可見，葉片在經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化后的表面平均硬度值達(dá)到385HV，相比未強(qiáng)化硬度值增加了8.57%，這是由于葉片經(jīng)強(qiáng)化后可以使表面晶粒細(xì)化，克服錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)過程中晶界的阻礙變得困難，這有利于提高葉片的表面硬度[7]。
2.3顯微組織
首先將激光沖擊強(qiáng)化前的葉片試件縱向切割得到截面樣品，然后通過鑲嵌、粗磨、細(xì)磨和拋光獲得光滑鏡面，再通過腐蝕液腐蝕制成金相試樣，結(jié)果見圖2。可見，經(jīng)強(qiáng)化后的TA11材料的組織結(jié)構(gòu)得到了明顯細(xì)化，有利于提高抗疲勞性能。
用電火花線切割機(jī)將試件沿沖擊表層切取下大約1mm的薄片并手工剪薄至0.1mm，然后用研磨機(jī)沖擊至50滋m。為了觀察材料的近表面組織，將試樣在-20益溫度下用體積分?jǐn)?shù)5%的HClO4酒精溶液電解單噴試樣沖擊背面，在試樣即將擊穿前用離子研磨儀剪薄強(qiáng)化數(shù)分鐘，直至試樣擊穿，得到的組織結(jié)構(gòu)見圖3。
圖4是利用透射電鏡觀察到的表層與次表層組織結(jié)構(gòu)，可見激光沖擊強(qiáng)化在TA11材料表層形成了大量納米級(jí)晶粒與非晶組織，在次表層產(chǎn)生了形變孿生與高密度位錯(cuò)，這能有效地提高材料的抗疲 勞性能。
3、結(jié)論
通過對(duì)TA11材質(zhì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化的試驗(yàn)研究，分析激光強(qiáng)化后材料表面的殘余應(yīng)力分布、顯微組織狀態(tài)，得到以下結(jié)論：
（1）激光沖擊強(qiáng)化后，在葉片的近表層會(huì)殘余-600MPa以上的壓應(yīng)力，隨著深度的增加殘余應(yīng)力值逐漸降低，且激光沖擊強(qiáng)化使得葉片的硬度得到顯著改善。
（2）激光沖擊強(qiáng)化使得葉片近表面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯細(xì)化，在材料表層形成了大量納米級(jí)晶粒與非晶組織，在次表層產(chǎn)生了形變孿生與高密度位錯(cuò)，有效提高材料的抗疲勞性能。
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