激光冲击强化对TiAl合金组织和性能的影响_乔红超
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目前，工业界 常 用 的 改 变 工 件 表 面 状 态 的 手 段主要有喷 丸、冷 挤 压 和 激 光 冲 击 强 化 等。 这 些 手段通过 引 入 残 余 压 应 力 来 改 善 工 件 的 表 面 状 态，但 压 应 力 大 小、压 应 力 层 深 度、表 面 粗 糙 度 以 及相关变形量 却 相 差 迥 异 。 ［２，４，７］ 其 中，激 光 冲 击 强化是近 年 来 快 速 发 展 起 来 的 新 型 表 面 处 理 技 术。该技术使工件表层材料微观组织发生变化， 形 成 较 深 的 残 余 压 应 力 层 ，与 传 统 的 冷 挤 压 、喷 丸 等 强 化 技 术 相 比 ，强 化 效 果 更 为 显 著 ，残 余 压 应 力 层深度最大能提高一个数量级 。 ［７－９］ 目前，美 国 的 ＧＥ 公司、ＭＩＣ 公 司 和 日 本 的 东 芝 公 司 已 将 该 技 术 成 功 应 用 在 航 空 发 动 机 叶 片 、叶 盘 和 核 电 站 上 ； 而我国还主 要 停 留 在 实 验 室 研 究 阶 段，北 京 ６２５ 所 、江 苏 大 学 和 中 科 院 沈 阳 自 动 化 所 就 一 般 的 钢 、 铝合金和 钛 合 金 的 激 光 冲 击 强 化 进 行 了 实 验 研 究 。 ［１０－１３］ 本文开 展 了 ＴｉＡｌ合 金 激 光 冲 击 强 化 的 实验研究，所得结果对拓宽 ＴｉＡｌ合金的应用具有 非常重要的意义和价值。
为 Ｔｉ－４５．５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｎｂ－０．１５Ｂ，经 过 两 次 真 空 自 耗熔炼与一次真空感应熔炼制备出的铸锭的实际 成分如表１所示。铸锭经热等静压（１ ３００ ℃，１５０ ＭＰａ，３．５ｈ）和 机 加 工 制 作 成 ８０ ｍｍ×１５ ｍｍ×３ ｍｍ 的试件，其 表 面 粗 糙 度 Ｒａ 为 ０．０４２μｍ。 试 件在 ＨＹ４０５０ 豪 克 能 应 力 消 除 设 备 （频 率 为 ４０ ｋＨｚ，输 出 振 幅 为 ５０μｍ）上 处 理 ５ ｍｉｎ，以 消 除 表 面 残 余 应 力 ，再 用 酒 精 清 洗 并 用 氮 气 吹 干 ，在 试 件 表面粘贴一层１００μｍ 厚的黑胶带作为吸收层。
收 稿 日 期 ：２０１３－０９－０４；修 订 日 期 ：２０１３－１１－０４． 基 金 项 目 ：国 家 ８６３ 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （Ｎｏ．２０１２ＡＡ０４１３１０）
第７期
乔红超，等：激光冲击强化对 ＴｉＡｌ合金组织和性能的影响
１７６７
３４５ＨＶ０．２ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ（００２）ｐｏｌｅｓ ｓｈｉｆｔ ｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｉｔ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ；ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ
乔红超１＊ ，赵亦翔２，赵吉宾１，陆 莹１
（１．中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 １１００１６； ２．中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 １１００１６）
摘要：为研究激光冲击强化对 ＴｉＡｌ合金组织和性能的影响，利用波长为１ ０６４ｎｍ、脉 宽 为 ２０ｎｓ、单 脉 冲 能 量 为 ０～２２Ｊ 的 Ｎｄ：ＹＡＧ 激光器对 ＴｉＡｌ合金试件进行了实验研究。采用显微 硬 度 计、表 面 粗 糙 度 仪 和 扫 描 电 镜 分 别 测 量 了 激 光 冲 击强化前后的表面显微硬度、粗糙度和表面微观形 貌，利 用 Ｘ 射 线 应 力 分 析 仪 测 量 了 激 光 冲 击 强 化 表 面 残 余 应 力 和 晶 面极性，并分析了其高温稳定性。实验结 果 表 明：当 单 脉 冲 能 量 增 加 到 ９Ｊ时，表 面 显 微 硬 度 增 加 了 ３３．４％，粗 糙 度 由 ０．０４２μｍ增大到了０．２８５μｍ，表面残余压应力由２０ ＭＰａ增加到了２９７ ＭＰａ，表 面 微 观 形 貌 出 现 了 凸 凹 不 平 ，局 部 纹 理 和层状微结构。将９Ｊ激光冲击强化后的试件在６５０ ℃下保温４ｈ后，残余压应力值 从 ２９７ ＭＰａ降 到 ２３０ ＭＰａ，显 微 硬 度值从３７７ ＨＶ０．２降到３４５ ＨＶ０．２，（００２）晶面取向有向中心移回的趋势。得到的数 据 显 示 ，激 光 冲 击 强 化 能 够 极 大 地 改 善 ＴｉＡｌ合金的组织和性能，且具有一定的高温稳定性。 关 键 词 ：激 光 冲 击 强 化 ；钛 铝 合 金 ；高 温 稳 定 性 ；组 织 性 能 中 图 分 类 号 ：ＴＧ６６５；ＴＧ１４６．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１４２２０７．１７６６
第 ２２ 卷 第 ７ 期 ２０１４年７月
光学 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＥｎБайду номын сангаасｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．７
Ｊｕｌ．２０１４
文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１４）０７－１７６６－０８
激光冲击强化对 ＴｉＡｌ合金组织和性能的影响
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ，ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ａ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １ ０６４ｎｍ，ａｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈ ｏｆ ２０ ｎｓ，ａｎｄ ａ ｐｕｌｓｅ－ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｒａｎｇｅ ０－２２ Ｊ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ－ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｍｉｃｒｏ－ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔｅｒ，ａ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｔｅｓｔｅｒ ａｎｄ ａ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ （ＳＥＭ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｐｏｌｅ ｆｉｇｕｒｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ （ＸＲＤ）ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ－ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｕｐ ｔｏ ３３．４％，ｔｈｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０．０４２ μｍ ｔｏ ０．２８５ μｍ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ２０ ＭＰａ ｔｏ ２９７ ＭＰａ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｕｐ ｔｏ ９Ｊ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｔｅｘｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｙｐｉｃａｌ ｌａｍｅｌｌａｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｒｅ ｈｅａｔｅｄ ｆｏｒ ４ｈａｔ ６５０ ℃，ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｖａｌｕｅｓ ｈａｖｅ ｄｒｏｐｅｄ ｆｒｏｍ ２９７ ＭＰａ ｔｏ ２３０ ＭＰａ，ａｎｄ ３７７ ＨＶ０．２ ｔｏ
实验工作在中科院沈阳自动化研究所搭建的 型号 为 ＳＩＡ－ＬＳＰ－１ 的 航 空 发 动 机 叶 盘 激 光 冲 击 强化设备（如图１ 所 示）上 进 行，所 用 的 高 能 脉 冲 激光器型号 为 Ｅｘｔｒａ－２０，能 量 为 ０～２２Ｊ，激 光 波 长为 １ ０６４ｎｍ，脉 宽 为 ２０ｎｓ，方 形 光 斑 边 长 为 ３ｍｍ，最大重 复 频 率 为 ５ Ｈｚ。 激 光 冲 击 强 化 路 径如图２所 示，光 斑 搭 接 率 为 ５０％，在 激 光 冲 击 强化时，用厚度为２ｍｍ 的流动水膜作为约束层。
表 １ Ｔｉ－４５．５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｎｂ－０．１５Ｂ 合 金 的 化 学 成 分
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉ－４５．５Ａｌ－２Ｃｒ－
２Ｎｂ－０．１５Ｂａｌｌｏｙ
（％ ）
Ａｌｌｏｙ Ａｌ Ｃｒ Ｎｂ Ｂ Ｏ Ｎ Ｈ Ｔｉ Ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ３１．３ ２．６９ ４．８８ ０．０４ ０．０７２ ０．０１３ ０．００３ Ｂａｌ．
２ 实验材料及方法
实验所用 ＴｉＡｌ合 金 的 名 义 成 分 （原 子 分 数）
图 １ 激 光 冲 击 强 化 设 备 照 片 Ｆｉｇ．１ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ
１７６８
光学 精密工程
第 ２２卷
图 ２ 激 光 冲 击 强 化 路 径 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ
１ 引 言
ＴｉＡｌ合 金 与 ＴＣ４ 等 钛 合 金 相 比 具 有 密 度 低、温 比 模 量 高、温 比 强 度 高、阻 燃 性 高 和 抗 氧 化 能力强等特 点 。 ［１］ 它 作 为 一 种 高 温 材 料，可 使 钛 在发动机的使用部 位 由 发 动 机 的 冷 端 （风 扇 和 压 气 机 ）向 发 动 机 的 热 端 （涡 轮 ）方 向 推 进 ，因 此 在 航 空、航天和汽 车 等 领 域 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力。 然 而 ＴｉＡｌ合金的原子呈长程有序排列，晶体结构的 对 称 性 较 低 ，导 致 其 室 温 塑 性 较 差 ，从 而 限 制 了 其 工程应 用 。 ［２－４］ 研 究 表 明，ＴｉＡｌ合 金 的 室 温 塑 性 主要取决于其 成 分 和 组 织 结 构［５］，并 且 其 表 面 状 态的变化对抗拉强度的影响非常明显 。 ［６］
采用 ＦＭ－３００型数字显微硬度仪测量试件激 光冲击强化部位表面及自表面沿深度方向的显微 硬度分布，设 定 载 荷 大 小 为 ０．２ Ｎ，保 荷 时 间 为 １０ｓ。用 ＭｉｃｒｏＸＡＭ－１２００ 光 学 轮 廓 仪 和 ＴＲ２００ 粗糙 度 仪 测 量 试 件 表 面 的 轮 廓 与 粗 糙 度； Ｄ／ｍａｘＩＡ型 Ｘ 射 线 衍 射 仪 分 析 晶 体 结 构 变 化 和 晶面极图；Ｐｒｏｔｏ－ＬＸＲＤ 型 Ｘ 射 线 应 力 测 试 仪 表 层 与 深 层 残 余 应 力，测 量 方 法 采 用 倾 斜 固 定 ψ 法，其衍射条件列于 表 ２；内 部 残 余 应 力 采 用 ０．５ ｍｏｌ／Ｌ 的 Ｎａ２ＳＯ４＋Ｈ２ＳＯ４溶 液 进 行 逐 层 电 解 腐 蚀测量。对试样表面进 行 研 磨 和 抛 光，用 １％ＨＦ ＋１０％ＨＮＯ３ ＋８９％ Ｈ２Ｏ（％，体 积 比 ）溶 液 进 行 腐蚀后，用 Ｓ－３４００Ｎ 扫描电镜（ＳＥＭ）观 察 试 件 表 面的微观结构。
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ
ＱＩＡＯ Ｈｏｎｇ－ｃｈａｏ１＊ ，ＺＨＡＯ Ｙｉ－ｘｉａｎｇ２，ＺＨＡＯ Ｊｉ－ｂｉｎ１，ＬＵ Ｙｉｎｇ１
（１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６，Ｃｈｉｎａ） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｃｑｉａｏ＠ｓｉａ．ｃｎ
为 Ｔｉ－４５．５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｎｂ－０．１５Ｂ，经 过 两 次 真 空 自 耗熔炼与一次真空感应熔炼制备出的铸锭的实际 成分如表１所示。铸锭经热等静压（１ ３００ ℃，１５０ ＭＰａ，３．５ｈ）和 机 加 工 制 作 成 ８０ ｍｍ×１５ ｍｍ×３ ｍｍ 的试件，其 表 面 粗 糙 度 Ｒａ 为 ０．０４２μｍ。 试 件在 ＨＹ４０５０ 豪 克 能 应 力 消 除 设 备 （频 率 为 ４０ ｋＨｚ，输 出 振 幅 为 ５０μｍ）上 处 理 ５ ｍｉｎ，以 消 除 表 面 残 余 应 力 ，再 用 酒 精 清 洗 并 用 氮 气 吹 干 ，在 试 件 表面粘贴一层１００μｍ 厚的黑胶带作为吸收层。
收 稿 日 期 ：２０１３－０９－０４；修 订 日 期 ：２０１３－１１－０４． 基 金 项 目 ：国 家 ８６３ 高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 （Ｎｏ．２０１２ＡＡ０４１３１０）
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乔红超，等：激光冲击强化对 ＴｉＡｌ合金组织和性能的影响
１７６７
３４５ＨＶ０．２ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｔｈｅ（００２）ｐｏｌｅｓ ｓｈｉｆｔ ｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｓｌｉｇｈｔｌｙ．Ｉｔ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ；ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ；ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ
乔红超１＊ ，赵亦翔２，赵吉宾１，陆 莹１
（１．中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 １１００１６； ２．中国科学院 金属研究所，辽宁 沈阳 １１００１６）
摘要：为研究激光冲击强化对 ＴｉＡｌ合金组织和性能的影响，利用波长为１ ０６４ｎｍ、脉 宽 为 ２０ｎｓ、单 脉 冲 能 量 为 ０～２２Ｊ 的 Ｎｄ：ＹＡＧ 激光器对 ＴｉＡｌ合金试件进行了实验研究。采用显微 硬 度 计、表 面 粗 糙 度 仪 和 扫 描 电 镜 分 别 测 量 了 激 光 冲 击强化前后的表面显微硬度、粗糙度和表面微观形 貌，利 用 Ｘ 射 线 应 力 分 析 仪 测 量 了 激 光 冲 击 强 化 表 面 残 余 应 力 和 晶 面极性，并分析了其高温稳定性。实验结 果 表 明：当 单 脉 冲 能 量 增 加 到 ９Ｊ时，表 面 显 微 硬 度 增 加 了 ３３．４％，粗 糙 度 由 ０．０４２μｍ增大到了０．２８５μｍ，表面残余压应力由２０ ＭＰａ增加到了２９７ ＭＰａ，表 面 微 观 形 貌 出 现 了 凸 凹 不 平 ，局 部 纹 理 和层状微结构。将９Ｊ激光冲击强化后的试件在６５０ ℃下保温４ｈ后，残余压应力值 从 ２９７ ＭＰａ降 到 ２３０ ＭＰａ，显 微 硬 度值从３７７ ＨＶ０．２降到３４５ ＨＶ０．２，（００２）晶面取向有向中心移回的趋势。得到的数 据 显 示 ，激 光 冲 击 强 化 能 够 极 大 地 改 善 ＴｉＡｌ合金的组织和性能，且具有一定的高温稳定性。 关 键 词 ：激 光 冲 击 强 化 ；钛 铝 合 金 ；高 温 稳 定 性 ；组 织 性 能 中 图 分 类 号 ：ＴＧ６６５；ＴＧ１４６．２ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１４２２０７．１７６６
第 ２２ 卷 第 ７ 期 ２０１４年７月
光学 精密工程
Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ＥｎБайду номын сангаасｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．２２ Ｎｏ．７
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文 章 编 号 １００４－９２４Ｘ（２０１４）０７－１７６６－０８
激光冲击强化对 ＴｉＡｌ合金组织和性能的影响
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ，ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ａ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ １ ０６４ｎｍ，ａｐｕｌｓｅ－ｗｉｄｔｈ ｏｆ ２０ ｎｓ，ａｎｄ ａ ｐｕｌｓｅ－ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｒａｎｇｅ ０－２２ Ｊ．Ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ－ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｍｉｃｒｏ－ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔｅｒ，ａ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｔｅｓｔｅｒ ａｎｄ ａ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ （ＳＥＭ）．Ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｐｏｌｅ ｆｉｇｕｒｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ ｗｅｒｅ ｔｅｓｔｅｄ ｗｉｔｈ Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ （ＸＲＤ）ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｉｃｒｏ－ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｕｐ ｔｏ ３３．４％，ｔｈｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ０．０４２ μｍ ｔｏ ０．２８５ μｍ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ ２０ ＭＰａ ｔｏ ２９７ ＭＰａ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｕｐ ｔｏ ９Ｊ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｔｅｘｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｙｐｉｃａｌ ｌａｍｅｌｌａｒ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ａｒｅ ｈｅａｔｅｄ ｆｏｒ ４ｈａｔ ６５０ ℃，ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｖａｌｕｅｓ ｈａｖｅ ｄｒｏｐｅｄ ｆｒｏｍ ２９７ ＭＰａ ｔｏ ２３０ ＭＰａ，ａｎｄ ３７７ ＨＶ０．２ ｔｏ
实验工作在中科院沈阳自动化研究所搭建的 型号 为 ＳＩＡ－ＬＳＰ－１ 的 航 空 发 动 机 叶 盘 激 光 冲 击 强化设备（如图１ 所 示）上 进 行，所 用 的 高 能 脉 冲 激光器型号 为 Ｅｘｔｒａ－２０，能 量 为 ０～２２Ｊ，激 光 波 长为 １ ０６４ｎｍ，脉 宽 为 ２０ｎｓ，方 形 光 斑 边 长 为 ３ｍｍ，最大重 复 频 率 为 ５ Ｈｚ。 激 光 冲 击 强 化 路 径如图２所 示，光 斑 搭 接 率 为 ５０％，在 激 光 冲 击 强化时，用厚度为２ｍｍ 的流动水膜作为约束层。
表 １ Ｔｉ－４５．５Ａｌ－２Ｃｒ－２Ｎｂ－０．１５Ｂ 合 金 的 化 学 成 分
Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｉ－４５．５Ａｌ－２Ｃｒ－
２Ｎｂ－０．１５Ｂａｌｌｏｙ
（％ ）
Ａｌｌｏｙ Ａｌ Ｃｒ Ｎｂ Ｂ Ｏ Ｎ Ｈ Ｔｉ Ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ３１．３ ２．６９ ４．８８ ０．０４ ０．０７２ ０．０１３ ０．００３ Ｂａｌ．
２ 实验材料及方法
实验所用 ＴｉＡｌ合 金 的 名 义 成 分 （原 子 分 数）
图 １ 激 光 冲 击 强 化 设 备 照 片 Ｆｉｇ．１ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ
１７６８
光学 精密工程
第 ２２卷
图 ２ 激 光 冲 击 强 化 路 径 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ
１ 引 言
ＴｉＡｌ合 金 与 ＴＣ４ 等 钛 合 金 相 比 具 有 密 度 低、温 比 模 量 高、温 比 强 度 高、阻 燃 性 高 和 抗 氧 化 能力强等特 点 。 ［１］ 它 作 为 一 种 高 温 材 料，可 使 钛 在发动机的使用部 位 由 发 动 机 的 冷 端 （风 扇 和 压 气 机 ）向 发 动 机 的 热 端 （涡 轮 ）方 向 推 进 ，因 此 在 航 空、航天和汽 车 等 领 域 具 有 巨 大 的 应 用 潜 力。 然 而 ＴｉＡｌ合金的原子呈长程有序排列，晶体结构的 对 称 性 较 低 ，导 致 其 室 温 塑 性 较 差 ，从 而 限 制 了 其 工程应 用 。 ［２－４］ 研 究 表 明，ＴｉＡｌ合 金 的 室 温 塑 性 主要取决于其 成 分 和 组 织 结 构［５］，并 且 其 表 面 状 态的变化对抗拉强度的影响非常明显 。 ［６］
采用 ＦＭ－３００型数字显微硬度仪测量试件激 光冲击强化部位表面及自表面沿深度方向的显微 硬度分布，设 定 载 荷 大 小 为 ０．２ Ｎ，保 荷 时 间 为 １０ｓ。用 ＭｉｃｒｏＸＡＭ－１２００ 光 学 轮 廓 仪 和 ＴＲ２００ 粗糙 度 仪 测 量 试 件 表 面 的 轮 廓 与 粗 糙 度； Ｄ／ｍａｘＩＡ型 Ｘ 射 线 衍 射 仪 分 析 晶 体 结 构 变 化 和 晶面极图；Ｐｒｏｔｏ－ＬＸＲＤ 型 Ｘ 射 线 应 力 测 试 仪 表 层 与 深 层 残 余 应 力，测 量 方 法 采 用 倾 斜 固 定 ψ 法，其衍射条件列于 表 ２；内 部 残 余 应 力 采 用 ０．５ ｍｏｌ／Ｌ 的 Ｎａ２ＳＯ４＋Ｈ２ＳＯ４溶 液 进 行 逐 层 电 解 腐 蚀测量。对试样表面进 行 研 磨 和 抛 光，用 １％ＨＦ ＋１０％ＨＮＯ３ ＋８９％ Ｈ２Ｏ（％，体 积 比 ）溶 液 进 行 腐蚀后，用 Ｓ－３４００Ｎ 扫描电镜（ＳＥＭ）观 察 试 件 表 面的微观结构。
Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴｉＡｌ ａｌｌｏｙ
ＱＩＡＯ Ｈｏｎｇ－ｃｈａｏ１＊ ，ＺＨＡＯ Ｙｉ－ｘｉａｎｇ２，ＺＨＡＯ Ｊｉ－ｂｉｎ１，ＬＵ Ｙｉｎｇ１
（１．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６，Ｃｈｉｎａ） ＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｃｑｉａｏ＠ｓｉａ．ｃｎ