段水旺，曾鵬*，崔文輝，梁亦佳，黃星朗

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006）

激光沖擊強(qiáng)化(LSP)是近年來出現(xiàn)的一種新型表面處理技術(shù)，它通過激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波在材料表面引起塑性變形，殘留較大的殘余壓應(yīng)力，并且使表層形成高密度位錯，細(xì)化晶粒甚至達(dá)到納米級，從而顯著提高材料的抗疲勞、耐磨損、抗應(yīng)力腐蝕等性能[1-2]。奧氏體不銹鋼的塑性好，但是強(qiáng)度較低，通常采取滲氮、表面鍍覆、機(jī)械噴丸等方法強(qiáng)化其表面[3-4]。奧氏體不銹鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms較低，在高能激光沖擊作用下表面會產(chǎn)生一定量的塑性變形，并誘發(fā)馬氏體相變，而且它本身的層錯能較低，還會產(chǎn)生大量位錯，從而產(chǎn)生一定程度的加工硬化效應(yīng)[5]。本文采用不同功率密度的激光沖擊奧氏體不銹鋼表面，觀察并分析其表面的組織結(jié)構(gòu)和硬度，并對形變誘發(fā)的馬氏體轉(zhuǎn)變的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量分析，從而尋求強(qiáng)化奧氏體不銹鋼表面的方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

選用17mm×15mm×2mm的深入冷軋的304奧氏體不銹鋼板材，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C0.080%，Mn0.920%，Si0.460%，P0.003%，S0.030%，Ni8.650%，Cr17.790%。試樣在 1050°C 下固溶30min后水淬冷卻，以獲得較均勻穩(wěn)定的奧氏體組織。

1.2 工藝方法

采用的激光沖擊設(shè)備為武漢華工激光工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LMY500多功能固體激光器，其波長為1064nm，脈沖寬度小于等于20ns，使用高重復(fù)率的摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)晶體材料，激光光斑直徑為2mm。激光沖擊前，對試樣進(jìn)行研磨拋光，并在表面覆蓋50μm鋁箔作為能量吸收層，以及一層厚度為2mm的K9玻璃作為沖擊約束層，如圖1所示。激光處理后，用丙酮清洗試樣表面。如圖2所示，以平行往復(fù)、層疊推進(jìn)的行進(jìn)方式來實(shí)施激光沖擊，搭接率為50%，光斑移動速率恒定，以獲得在試樣厚度方向上均勻的沖擊硬化層。影響激光功率密度的參數(shù)主要有光斑直徑、脈沖電流、頻率、激光脈寬、光斑移動速率、板料的力學(xué)性能、約束層和吸收層的厚度等。通過調(diào)整以上工藝參數(shù)來控制激光功率密度范圍為1.0～4.5GW/cm2，在不同的功率密度條件下對304奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行沖擊。

圖1 激光沖擊材料表面的示意圖Figure 1 Schematic diagram of laser shock peening on material surface

圖2 激光沖擊路線Figure 2 Route of the laser shock peening

1.3 測試方法

先用棉簽將王水均勻涂抹在試樣表面，腐蝕15s后用清水沖洗并吹干，然后用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的表面微觀形貌。采用日本理學(xué)D/MAX-Ultima型X射線衍射儀(XRD)測定不銹鋼表面的物相，Cu靶，Kα1 射線，波長 0.154056nm，電壓 40kV，電流 40mA，掃描速率 8°/min，步長 0.01°。采用 HV1000 型數(shù)字顯微硬度儀測試試樣表面經(jīng)激光沖擊后沿深度方向的硬度分布，通過多次測量取平均值，載荷25g，加載時間為 8s。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率密度對奧氏體不銹鋼表面形貌的影響

未經(jīng)過任何處理的304奧氏體不銹鋼的組織中含有一定量的生長孿晶(見圖3a)。采用2.5GW/cm2激光功率密度對304奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行沖擊后，沖擊波導(dǎo)致奧氏體晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了較多數(shù)量的晶體滑移變形的痕跡，在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了平行滑移帶的特征，同時在應(yīng)變形成的剪切帶、剪切帶的交匯處和孿晶界等處都是馬氏體相變的優(yōu)先形核地點(diǎn)，部分晶粒相變?yōu)轳R氏體(見圖3b)。雖然在金相中對馬氏體相的觀測存在一定的難度，但根據(jù)文獻(xiàn)[6]，可以認(rèn)為黑色多邊形塊狀組織為馬氏體相。隨激光功率密度增加，晶粒內(nèi)部塑性變形也越嚴(yán)重，被4.0GW/cm2的激光沖擊后，晶粒內(nèi)部變形最明顯(見圖3c)，出現(xiàn)較多的密集排列的平行線，而且在500的放大倍率下可以清楚地看見圖3c中白圈區(qū)域內(nèi)大范圍地出現(xiàn)了平行線條，且每個晶粒內(nèi)部的線條方向并不一致(見圖3d)。這是由于在激光沖擊波的作用下，每個晶粒內(nèi)部的位錯在各自晶粒內(nèi)的滑移系下進(jìn)行滑移，因而形成滑移線，眾多的滑移線形成了滑移帶。高功率激光沖擊致使材料表面產(chǎn)生了高速應(yīng)變，縮短了材料沖擊區(qū)塑性變形的時間，并導(dǎo)致晶粒內(nèi)位錯運(yùn)動受阻，變形抗力增大，從而產(chǎn)生了表面的加工硬化效應(yīng)。但當(dāng)功率密度大于4.5GW/cm2時，在奧氏體不銹鋼表面出現(xiàn)了一定的燒蝕現(xiàn)象。

圖3 304奧氏體不銹鋼經(jīng)不同功率密度的激光沖擊后的顯微組織Figure 3 Microstructures of 304 austenitic stainless steel after being treated by laser shock peening at different power densities

2.2 激光沖擊對奧氏體不銹鋼組織的影響

從圖 4可知，未經(jīng)過激光沖擊的試樣以奧氏體相(A)居多，僅有少量受加工過程中的變形影響而產(chǎn)生的馬氏體(M)。經(jīng)過不同功率密度的激光沖擊后，不銹鋼中奧氏體峰強(qiáng)度逐漸減弱。當(dāng)激光功率密度增至2.0GW/cm2時，出現(xiàn)了2個馬氏體的衍射峰──M(200)和M(211)，表明此時開始了由奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變。這2個峰的相對強(qiáng)度隨著激光功率密度的增大而增大，表明馬氏體的體積分?jǐn)?shù)隨之增多。304奧氏體不銹鋼在高于馬氏體自發(fā)轉(zhuǎn)變溫度Ms，低于兩相自由能平衡點(diǎn)溫度T0的溫度范圍內(nèi)，在激光沖擊下發(fā)生表面塑性變形時，機(jī)械能將補(bǔ)償部分馬氏體轉(zhuǎn)變所需要的形核驅(qū)動力，從而誘發(fā)馬氏體組織的形成。在1.0～4.0GW/cm2范圍內(nèi)，激光功率密度越大，外加驅(qū)動力越大，塑性變形程度越大，馬氏體轉(zhuǎn)變量越大。

圖4 不同功率密度下激光沖擊強(qiáng)化304奧氏體不銹鋼表面的XRD譜圖Figure 4 XRD patterns of 304 austenitic stainless steel surface after laser shock peening at different power densities

2.3 激光沖擊誘發(fā)馬氏體的體積分?jǐn)?shù)

由公式(1)可以計算出在自由取向晶粒中參與衍射各相晶面的綜合衍射強(qiáng)度Ihkl[7-8]。然后通過直接比較法，由式(2)和式(3)確定馬氏體相的體積分?jǐn)?shù)VM。

其中iV是i相的體積分?jǐn)?shù)，儀器系數(shù)K取決于X射線衍射儀的參數(shù)，每組試樣的線性吸收系數(shù)μ根據(jù)試樣具體條件來計算；為材料的散射系數(shù)，主要取決于角因數(shù)結(jié)構(gòu)因數(shù)Fhkl、多重因數(shù)p、單位晶胞體積v和溫度因數(shù)e?2M；n表示衍射峰的數(shù)量。以上數(shù)據(jù)可以通過查表[9]以及譜線精修擬合分別加權(quán)計算得到。

在用不同的激光功率密度處理304奧氏體不銹鋼后，產(chǎn)生的馬氏體的體積分?jǐn)?shù)如圖5所示?？梢姰?dāng)激光功率密度從1.0GW/cm2增大到4.5GW/cm2時，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)也快速增加。當(dāng)激光功率密度為4.0～4.5GW/cm2之間時，馬氏體的體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，但實(shí)際上奧氏體不銹鋼表面已經(jīng)出現(xiàn)一定的燒蝕現(xiàn)象，因此不再考慮繼續(xù)增大功率密度。

2.4 激光沖擊奧氏體不銹鋼表面硬度的變化

從圖6可知，當(dāng)功率密度為4.0GW/cm2時，奧氏體不銹鋼表面的顯微硬度超過200HV，距離表面80μm處的沖擊硬化層的硬度達(dá)180HV，其后逐漸緩降，激光沖擊的影響區(qū)深達(dá)110μm以上(見圖7)。激光沖擊試樣表面導(dǎo)致硬度升高，其主要原因是高速應(yīng)變使表面發(fā)生劇烈的塑性變形，從而誘發(fā)馬氏體相變和加工硬化，導(dǎo)致表層微觀形貌和性能均發(fā)生了變化。另外，試樣表面在激光沖擊時可能會被熔化或者能量約束層被熔融在試樣表面，導(dǎo)致試樣的次表面硬度最高，這種變化沿著表層逐步向內(nèi)部擴(kuò)展。隨著激光功率密度增大，位錯、孿晶和塑性變形會增加，誘發(fā)形成的馬氏體就增多，同時引起的加工硬化也更強(qiáng)。

圖5 以不同功率密度的激光沖擊304奧氏體不銹鋼后表面誘發(fā)的馬氏體的體積分?jǐn)?shù)Figure 5 Volume fractions of martensite formed on the surface of 304 austenitic stainless steel after laser shock peening at different power densities

圖6 以不同功率密度的激光沖擊后304奧氏體不銹鋼厚度方向的顯微硬度分布Figure 6 Microhardness distribution along thickness direction for 304 austenitic stainless steel treated by laser shock peening at different power densities

圖7 采用4.0 GW/cm2功率密度的激光沖擊后304奧氏體不銹鋼的截面形貌Figure 7 Cross-sectional micro-morphology of 304 stainless steel after laser shock peening at a power density of 4.0 GW/cm2

3 結(jié)論

用功率密度為1.0～4.5GW/cm2的激光沖擊304奧氏體不銹鋼表面時會產(chǎn)生一定程度的表面強(qiáng)化作用。4.0GW/cm2功率密度的激光沖擊使奧氏體不銹鋼基體的顯微硬度從160HV提高到214HV，硬化層深度達(dá)到80μm。激光沖擊作用不僅可以使奧氏體不銹鋼晶粒內(nèi)部出現(xiàn)塑性變形，產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)，而且可以誘發(fā)表面的馬氏體轉(zhuǎn)變。隨激光功率密度增加，馬氏體的含量增加，表面強(qiáng)化程度隨之增強(qiáng)。