吳俊峰 ，鄒世坤 ，張永康 ，鞏水利

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，高能束流加工技術(shù)重點實驗室，北京100024；2.東南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 211189；3.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

激光沖擊強化是一種先進的表面處理技術(shù)，誘導(dǎo)靶材表層深殘余壓應(yīng)力和晶粒細(xì)化[1-2]，從而改善靶材的抗疲勞、抗腐蝕、抗摩擦磨損和抗外物損傷性能[3-6]。但激光沖擊強化金屬材料改性的同時可能存在層裂風(fēng)險[7-8]，即當(dāng)靶材內(nèi)部的卸載波與背面反射稀疏波相互作用，形成的動態(tài)拉應(yīng)力強度和持續(xù)時間達(dá)到一定閾值時，靶材內(nèi)部將產(chǎn)生累積損傷斷裂，即層裂[9]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對不同材料的層裂現(xiàn)象進行了諸多研究，如：激光沖擊鋁靶的層裂厚度[10]、TC4鈦合金的層裂強度和層裂微觀特性[11]、鎢/鎢界面的層裂強度和層裂斷口[12]及激光沖擊7050鋁合金的層裂現(xiàn)象[7]等。但對實際葉片邊緣強化時避免層裂的措施則未見報道。本文研究了發(fā)動機葉片的層裂現(xiàn)象、防層裂技術(shù)和防層裂機理，研究結(jié)果對激光沖擊強化葉片的工業(yè)應(yīng)用具有重要價值。

1 實驗方法

如圖1所示，采用Nd：YAG激光器分別對葉片的進氣邊和排氣邊進行激光沖擊強化。激光工藝參數(shù)為：激光能量 50 J、脈寬 30 ns、波長 1064 nm、光斑直徑4～5 mm。葉片的進氣邊和排氣邊的邊緣強化區(qū)域為8～10 mm。

圖1 激光沖擊強化葉片示意圖

在激光沖擊強化過程中，將厚度為1～2 mm的去離子水簾作為約束層和吸波層、厚度為0.12 mm的3M鋁箔作為吸收層和吸波層。葉片材料為β鍛TC17鈦合金，其化學(xué)成分和機械性能見表1；基體微觀組織為α+β型雙相網(wǎng)籃組織。熱處理工藝為800℃/4 h固溶強化和630℃/8 h時效處理。

表1 TC17合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 葉片背面層裂現(xiàn)象

由圖2可見，激光沖擊波誘導(dǎo)葉片的背面產(chǎn)生了層裂現(xiàn)象，將大幅降低葉片的疲勞壽命。激光沖擊葉片產(chǎn)生層裂的主要原因有以下二個方面：

（1）葉片表面的激光沖擊波幅值大。激光沖擊強化鈦合金葉片產(chǎn)生塑性變形所需的激光功率密度在6 GW/cm2以上[13]，對于TC17鈦合金來說甚至可達(dá)8 GW/cm2[14]。

（2）葉片邊緣薄壁處的背面沖擊波壓力較大，且無防層裂措施。當(dāng)強沖擊波傳播至薄壁結(jié)構(gòu)背面時，幅值較大的壓力波轉(zhuǎn)換為拉力波，如果在葉片背面不采取任何措施的話，拉力波將全部反射傳入葉片內(nèi)部；當(dāng)反射拉力波與沖擊卸載波相遇時，會形成動態(tài)拉應(yīng)力[15]。當(dāng)動態(tài)拉應(yīng)力的持續(xù)時間和幅值滿足一定閾值時，葉片背面就會產(chǎn)生層裂。

圖2 激光沖擊葉片背面的層裂現(xiàn)象

2.2 “吸波層”防層裂技術(shù)

如圖3所示，單光斑激光沖擊葉片背面會產(chǎn)生鋁箔鼓起的現(xiàn)象，說明鋁箔吸波層產(chǎn)生了效果，吸收了葉片背面的壓力波，從而降低了反射拉力波幅值。同時，鋁箔鼓起是由于沖擊波從葉片到鋁箔、再到空氣的傳播過程中造成的，這是因為壓力波可從葉片背面穿過鋁箔膠帶上的粘膠到達(dá)鋁箔表面，但在鋁箔與空氣界面反射成拉力波后就無法再通過粘膠，因為其粘附強度低于拉力波的強度，而拉力波導(dǎo)致鋁箔與葉片脫離，此時易產(chǎn)生層裂的拉力波被鋁箔捕獲，在鋁箔上反復(fù)震蕩形成了圓形波紋。

圖3 單光斑激光沖擊葉片背面鋁箔形貌

由于鋁箔對拉力波產(chǎn)生的損耗和陷阱作用，故采用鋁箔作為吸波層能起到很好的保護作用，但鋁箔鼓起區(qū)域大于光斑區(qū)域，鼓起處對沖擊波而言已成為自由反射面，且隨著激光沖擊的進行，鋁箔鼓起區(qū)域會越來越大，最后成片鼓起，完全喪失了吸波層的保護作用，導(dǎo)致鋁箔對相鄰光斑產(chǎn)生的沖擊波捕獲作用減弱。為解決該難題，對葉片背面采用了鋁箔加水簾的吸波層技術(shù)（圖4）[16]，得到的激光沖擊強化葉片背面鋁箔形貌見圖5?？煽闯觯~片背面鋁箔表面光滑平整、無鼓起現(xiàn)象，減少了沖擊波在葉片背面的反射，提高了激光沖擊強化效果。

圖4 采用鋁箔加水簾的吸波層技術(shù)進行激光沖擊強化葉片

圖5 鋁箔加水簾吸波層激光沖擊強化葉片背面鋁箔形貌

2.3 防層裂機理

圖6是在不同的吸波層情況下，沖擊波在葉片內(nèi)部的傳播和反射示意圖。可見，采用多層吸波層后，增加了葉片后部聲阻抗，減少了反射波在葉片背面與鋁箔接合面的反射，且增強了透射。沖擊波在葉片背面的界面反射系數(shù)可表示為[16]：

式中：Z1和Z2為材料聲阻抗；ρ為材料密度；C為材料聲速。已知，鈦合金密度為4500 kg/m3，聲速為4000 m/s；鋁箔密度為 2784 kg/m3，聲速為 5370 m/s；水的密度為1000 kg/m3，聲速為1461 m/s；空氣密度為 1.29 kg/m3，聲速為 340 m/s。

如圖6a所示，當(dāng)鈦合金葉片背面無吸波層時，高壓沖擊波在鈦合金自由表面反射條件為鈦合金和空氣，根據(jù)式（1）、式（2）可計算得到?jīng)_擊波界面反射系數(shù)R=-1，此時高壓沖擊波全部轉(zhuǎn)換為反射拉力波強度，且強度值大于鈦合金層裂強度，故使鈦合金發(fā)生了層裂。

如圖6b所示，當(dāng)鈦合金葉片背面僅粘合鋁箔吸波層時，沖擊波界面反射條件為鈦合金和鋁箔、鋁箔和空氣，此時沖擊波在鈦合金和鋁箔界面處的反射系數(shù)R=-0.09、透射系數(shù)T=0.91，即91%的沖擊波壓力傳入鋁箔內(nèi)，故鈦合金反射波強度較小，避免了鈦合金發(fā)生層裂。另外，由于沖擊波在鋁箔和空氣界面處的反射系數(shù)R=-1，鋁箔內(nèi)的反射波強度為沖擊波強度的91%；當(dāng)鋁箔內(nèi)的強反射拉力波到達(dá)鈦合金和鋁箔界面處時，因拉力波強度大于鋁箔與鈦合金背面的粘合強度，最終使鋁箔產(chǎn)生了氣泡（圖 3）。

如圖6c所示，當(dāng)鈦合金葉片背面粘合了單層鋁箔和均勻去離子水簾的吸波層后，沖擊波在界面處的反射條件為鈦合金和鋁箔、鋁箔和水，此時沖擊波在鈦合金和鋁箔界面處的反射系數(shù)R=-0.09、透射系數(shù)T=0.91，即91%的沖擊波壓力傳入鋁箔內(nèi)，鈦合金反射波強度較小，避免了鈦合金發(fā)生層裂。同時，沖擊波在鋁箔和水界面處的反射系數(shù)R=-0.82、透射系數(shù)T=0.18，透射波被流動的去離子水帶走，無反射，但鋁箔內(nèi)的反射波強度為沖擊波強度的75%（0.91×0.82），故可降低或消除鋁箔氣泡（圖 5）。

圖6 不同吸波層下的沖擊波在葉片內(nèi)的傳播和反射示意圖

3 結(jié)論

本文采用吸波層技術(shù)對葉片進行激光沖擊強化，研究了葉片的防層裂技術(shù)和防層裂機理，得到如下結(jié)論：

（1）激光沖擊強化鈦合金葉片表面沖擊波幅值大且葉片背面無吸波層，導(dǎo)致葉片背面產(chǎn)生層裂。僅采用鋁箔吸波層技術(shù)進行單光斑激光沖擊葉片，葉片背面鋁箔產(chǎn)生鼓起和圓形波紋，不能有效防止大面積激光沖擊強化葉片層裂現(xiàn)象。

（2）采用鋁箔+水簾吸波層技術(shù)進行激光沖擊強化葉片，葉片背面鋁箔光滑平整，有效提高了大面積激光沖擊強化葉片效果。其防層裂機理為：大量沖擊波傳入鋁箔內(nèi)部后被水簾帶走，有效降低了靶材和鋁箔內(nèi)部的反射波幅值。

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