钛合金激光冲击强化技术的研究与应用

钛合金激光冲击强化技术的研究与应用

赵恒章;侯红苗;贾蔚菊;李磊;洪权;毛小南

【摘要】激光冲击强化是一种新型表面强化技术，能够在材料表层产生残余压应力，提高结构件的疲劳强度、表面硬度，延长其疲劳寿命，在钛合金结构件中应用前景广阔。介绍了激光冲击强化的基本原理和特点，并结合国外研究现状，着重分析了我国钛合金激光冲击强化技术在工艺基础研究以及提高疲劳强度、改善焊缝应力状态、表面纳米化、强化孔结构、修复及再制造受损件等方面的研究现状，并指出了该技术在钛合金工程化应用方面需解决的关键问题。%Laser shock peening ( LSP ) is a novel surface treatment technique which is capable of introducing compressive residual stress near the surface layers of the materials , then the fatigue properties and surface strength of the alloy can be improved largely .In this paper , the basic principle and characterization of LSP was introduced , the research situation of the LSP in the field of fatigue strength , improve the stress state of welding seam , nanocrystalline , pore structure strengthening , repair and remanufacturing were analyzed deeply .Finally , the key problems that needed resolved for the engineering application of LSP in titanium alloys were pointed out .【期刊名称】《钛工业进展》

【年(卷),期】2016(033)004

【总页数】5页(P7-11)

【关键词】钛合金;激光冲击;表面强化;应用

【作者】赵恒章;侯红苗;贾蔚菊;李磊;洪权;毛小南

【作者单位】西北有色金属研究院，陕西西安 710016;西北有色金属研究院，陕

西西安 710016;西北有色金属研究院，陕西西安 710016;西北有色金属研究院，

陕西西安710016;西北有色金属研究院，陕西西安710016;西北有色金属研究院，陕西西安 710016

【正文语种】中文

【中图分类】TG146.2+3

钛合金是重要的结构材料，因具有无磁、轻质、比强度高和耐蚀等特点，且易于满足轻量化、强韧化和低能耗等要求而被广泛应用。然而，钛合金具有较高的缺口敏感性，结构件易发生疲劳断裂现象。因此如何提高钛合金结构件的疲劳强度，延长其服役寿命，备受人们关注。激光冲击强化技术是利用激光诱导产生的高功率密度应力波，使金属表面层产生塑性变形，导致位错密度增加，产生残余压应力，从而提高硬度和疲劳寿命等性能的新型表面强化方法[1-5]。我国在激光冲击强化技术

研究方面已经取得了一定成果，近年来已开始在钛合金方面进行探索性研究。

本文介绍了激光冲击强化的基本原理和特点，总结了激光冲击强化技术在工艺研究和应用研究方面取得的成果，指出了我国激光冲击强化技术存在的问题和发展方向，为该技术在钛合金中的应用提供参考。

1.1 激光冲击强化的基本原理

激光冲击(Laser shock peening，LSP)又称激光喷丸(Laser peening)，其过程如

图1所示。在激光冲击过程中，高功率密度、短脉冲的激光束辐照到工件，吸收

层充分吸收能量在极短时间内(ns量级)形成一个高温高压的等离子体层，受约束层约束，等离子体层积聚到一定密度和厚度时发生爆炸形成冲击波。冲击波峰值压力

一般为数个GPa[6]。激光冲击强化是利用强激光诱导的高达数GPa的冲击波压力使材料表层以极高的应变速率发生变形和动态屈服，产生微观塑性变形，形成残余压应力层和硬化层，同时伴随位错、孪晶等晶体缺陷的产生。激光冲击强化产生的残余压应力和硬化层能够明显的延缓裂纹的萌生，而位错密度的增高和位错缠结使材料的屈服强度获得提高，进一步阻碍了位错的运动，增大了裂纹产生的阻力，从而使得材料表层获得强化，有效地改善了金属材料的力学性能，如疲劳寿命、硬度、耐磨性、抗外物损伤能力、热稳定性等[7-9]。

激光冲击属于机械应力，只是引起材料表面发生塑性变形。然而这种作用力在时间和空间上都是非均匀、非线性的。随着激光作用时间增加到一个脉宽，应力值也由零达到峰值，如图2所示。

应力与距光斑中心的距离符合高斯分布，最大应力值位于光斑的中心，应力值随距离光斑中心的远近而变化，距离光斑中心越近，应力值越大。任意时刻、任一点的应力值可以由下面的公式来计算[10]：

1.2 激光冲击强化的特点

作为高能束加工技术，相对于传统强化技术，激光冲击强化优势十分明显，主要表现在以下几点[11-13]。

(1)激光冲击波的压力达到数GPa，能形成更深更大的残余压应力层，使材料表面

晶粒细化甚至出现纳米晶粒。冲击获得的残余压应力影响层可达1～2 mm，是喷丸的5～10倍。

(2)由于激光能精确控制和定位，光斑大小和形状可调，特别适合有应力集中的倒角、焊缝以及小孔、沟槽等部位的处理。

(3)激光冲击无热损伤，工艺参数可控，处理后基本不改变被处理零部件的表面光

洁度。因而更适合于对表面粗糙度和变形特别敏感的零部件，如发动机叶片。

20世纪90年代以前，激光冲击强化主要用于铝合金和钢结构件的研究，90年代