喬紅超,何佳琪,3,趙吉賓,吳嘉俊,李竟鋒

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,遼寧 沈陽 110016；3.沈陽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870；4.汕頭大學(xué)工學(xué)院,廣東 汕頭 515603；5.清華大學(xué)深圳國際研究生院,廣東 深圳 518055)

1 引 言

隨著高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展,對設(shè)備零部件尤其是金屬零部件的要求越來越高,一方面要求零件具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu),另一方面要求零件具有優(yōu)異的力學(xué)性能[1]。而傳統(tǒng)的零部件加工工藝逐漸不能滿足復(fù)雜零部件的加工制造要求。增材制造(Additive manufacturing,AM)[2]是一種新興制造技術(shù),其以合金粉末或絲材為原料,通過高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐層堆積,從而完成全致密、高性能大型復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)件的成形制造,具有成本低、周期短的特點(diǎn),有望為現(xiàn)代重大裝備中大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供新的解決思路[3-4]。1997年,美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室提出了增材制造成形鈦合金構(gòu)件的想法,并制備了第一片Ti6Al4V鈦合金發(fā)動機(jī)葉片[5]。2004年,清華大學(xué)利用增材制造技術(shù),成功制造出了直徑為191 mm、高為305 mm的W60Ni40鎢鎳合金薄壁復(fù)雜硬X射線望遠(yuǎn)鏡的重要構(gòu)件[6]。然而,在增材制造過程容易致使零件表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,這在一定程度上會影響了增材制造零部件的機(jī)械性能,從而阻礙增材制造產(chǎn)品的工業(yè)應(yīng)用[7]。

激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock processing,LSP)是目前最為先進(jìn)的材料表面改性技術(shù),其利用了激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波的應(yīng)力效應(yīng),使近表層材料發(fā)生嚴(yán)重塑性變形,引入一定深度的殘余壓應(yīng)力層和伴隨位錯、孿晶等微觀組態(tài)的改變[8-9]；由于殘余壓應(yīng)力能夠抵消加工過程所產(chǎn)生的有害拉應(yīng)力和抑制疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展,使得材料的力學(xué)性能和機(jī)械零部件的疲勞壽命得到顯著提高[10]。與傳統(tǒng)的機(jī)械表面改性技術(shù)如噴完強(qiáng)化[11]、滾壓[12]等相比,LSP不僅能夠引入數(shù)值更大深度更深的殘余壓應(yīng)力層,而且具有激光工藝參數(shù)(如激光能量、脈沖寬度、光斑直徑等)可調(diào)、加工路徑可控等特點(diǎn)[13],在航空航天、生物醫(yī)療、石油化工、國防軍工等高端裝備制造領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。因此,利用LSP技術(shù)對增材制造零件進(jìn)行處理,對提高增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能和疲勞壽命具有重要的意義。

本文以316L不銹鋼粉末為實(shí)驗(yàn)材料,利用同軸送粉方式進(jìn)行增材制造,通過數(shù)控電火花線切割切取實(shí)驗(yàn)試件,利用SIA-LSP-23系列LSP系統(tǒng)在不同激光能量下對實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行LSP處理；研究了LSP對增材316L不銹鋼殘余應(yīng)力、顯微硬度和抗拉強(qiáng)度的影響。本研究旨在為增材制造產(chǎn)品后處理工藝提供一種新的解決思路,拓寬激光沖擊強(qiáng)化與增材制造技術(shù)的應(yīng)用,以滿足工程應(yīng)用的多元化需求。

2 實(shí)驗(yàn)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

選取316L不銹鋼粉末為實(shí)驗(yàn)原料,其粒度范圍為10～130 μm；實(shí)驗(yàn)基材為鍛造態(tài)的316L不銹鋼板材,其具體尺寸為100 mm×50 mm×4 mm。316不銹鋼基材和粉末的化學(xué)成分如表1所示。采用最大輸出功率為2 kW的光纖耦合半導(dǎo)體激光器,光斑直徑為D=2 mm,采用的送粉方式為同軸送粉,利用氬氣作為保護(hù)氣及送粉載氣。具體的工藝參數(shù)為:激光功率P=1300 W,激光掃描速度為v=6 mm/s,送粉量Q=9 g/min。

表1 316L基材與粉末的化學(xué)成分(wt %)

獲得打印工件后(如圖1(a),其厚度約為5 mm),首先利用銑刀對工件兩側(cè)進(jìn)行銑削加工,得到厚度約為4.5 mm的薄板,然后利用數(shù)控電火花線切割切取尺寸規(guī)格為30 mm×30 mm×4.5 mm的常規(guī)試件和如圖1(b)所示尺寸規(guī)格的拉伸試件。

利用本課題組自主研制的SIA-LSP-23系列LSP系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行LSP處理,該系統(tǒng)采用的激光其為LAMBER燈泵浦大能量激光器,其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示[14]。實(shí)驗(yàn)采用多點(diǎn)搭接以50 %的光斑搭接率(參考圖1(c))進(jìn)行LSP處理；采用130 μm厚的黑膠帶為吸收保護(hù)層,選擇厚度約為1.2 mm的去離子水為約束層(水膜厚度波動情況如圖2所示)；在激光能量為3 J、4 J和5 J下分別對常規(guī)試件進(jìn)行單面沖擊和對拉伸試件進(jìn)行雙面沖擊；其他相同的激光參數(shù)為:光斑直徑為3 mm、脈沖寬度為12 ns,重復(fù)頻率為0.5 Hz。

(a)增材制造試樣實(shí)物圖

圖2 水膜厚度波動情況

表2 LAMBER系列燈泵浦大能量激光器的技術(shù)參數(shù)[14]

激光功率密度的計(jì)算公式為:

(1)

式中,I為激光功率密度;E為激光能量;d為經(jīng)聚焦后輻照在實(shí)驗(yàn)試件表面的光斑直徑;τ為脈沖寬度。

根據(jù)式(1)和已知的激光工藝參數(shù),不同激光能量所對應(yīng)的激光功率密度詳見表3。

表3 不同激光能量所對應(yīng)的激光功率密度

2.2 測試表征

利用FM-310數(shù)字顯微硬度計(jì)測量常規(guī)試樣LSP處理前后的顯微硬度,采用的載荷為200 g、停留時間為15 ns;以常規(guī)試件幾何中心徑向向外的12 mm線中以1 mm的間隔測量表面顯微硬度,截面顯微硬度的測量范圍為沖擊表面到截面深度1.2 mm處,測量間隔為0.15 mm,用表面顯微硬度平均值表征截面距離為0的顯微硬度值。

利用STRESSTECH鉆孔法殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)測量了常規(guī)試件LSP處理前后的殘余應(yīng)力,其中測量范圍為沖擊表面到深度1 mm。

室溫拉伸實(shí)驗(yàn)委托青島斯坦德檢測股份有限公司完成,在Z150萬能試驗(yàn)機(jī)以1×10-3s-1的應(yīng)變率和0.5 mm/min的拉伸速率下進(jìn)行；為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,每種工藝條件下的拉伸試件各準(zhǔn)備三個。

3 結(jié)果與討論

3.1 殘余應(yīng)力

圖3為LSP對增材316L不銹鋼殘余應(yīng)力的影響曲線。從圖中可以看出,增材316L不銹鋼的近表層中產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力；這是因?yàn)榧す恻c(diǎn)附近的熱梯度較大,快速冷卻過程容易致使打印工件產(chǎn)生局部壓縮、拉伸和殘余應(yīng)力[15]。再經(jīng)低溫?zé)崽幚砗?增材316L不銹鋼中的殘余應(yīng)力將重新分布。如圖3可知,增材316L不銹鋼的殘余拉應(yīng)力在0～180 MPa范圍內(nèi)波動。經(jīng)LSP處理后,工件近表面引入了殘余壓應(yīng)力,且殘余壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在工件上表面；激光能量分別為3 J、4 J和5 J時,表面殘余壓應(yīng)力分別為-171 MPa、-240 MPa和-290 MPa,其對應(yīng)的殘余壓應(yīng)力層深度分別約為0.57 mm、0.69 mm和0.76 mm。

圖3 LSP對增材316L不銹鋼殘余應(yīng)力的影響

經(jīng)LSP處理后,材料近表層引入了有益的殘余壓應(yīng)力,且表面殘余壓應(yīng)力及其對應(yīng)的殘余壓應(yīng)力層深度均隨激光能量的增加而增加。在激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波的超高應(yīng)變率的作用下,工件近表層將產(chǎn)生劇烈的塑性變形,這在宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)部材料的相互擠壓,在微觀上則表現(xiàn)為晶格畸變、位錯增殖、滑移和孿晶等；在LSP作用結(jié)束后,這些晶體學(xué)變化不能夠完全釋放,于是形成一定深度的殘余壓應(yīng)力層[16-17]。此外,激光能量越大,所誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體沖擊波壓力越高,致使工件近表層的位錯密度、晶格畸變程度和孿晶等增加,進(jìn)而誘導(dǎo)形成數(shù)值更大深度更深的殘余壓應(yīng)力。

3.2 顯微硬度

增材316L不銹鋼LSP處理前后的表面顯微硬度分布如圖4所示。由圖4可知:增材316L不銹鋼的初始表面顯微硬度的平均值約為233.6 HV,經(jīng)LSP處理,激光能量為3 J、4 J和5 J的增材316L不銹鋼的表面顯微硬度的平均值分別約為276.7 HV、297.8 HV和315.9 HV,分別較未LSP處理提高了18.45 %、27.48 %和35.23 %。圖5為LSP對增材316L不銹鋼截面顯微硬度的影響。從圖5中可以看出:顯微硬度與殘余應(yīng)力有著類似的分布規(guī)律,但硬化層深度要比殘余壓應(yīng)力層深度大0.15～0.25 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是殘余拉應(yīng)力在增材制造打印出來的試件表面形成[7]；在LSP誘導(dǎo)沖擊波的作用下,需要一定的殘余壓應(yīng)力來抵消殘余拉應(yīng)力,從而致使產(chǎn)生硬化層深度比殘余壓應(yīng)力層深度要大的現(xiàn)象。

圖4 LSP對增材316L不銹鋼表面顯微硬度的影響

圖5 LSP對增材316L不銹鋼橫斷面顯微硬度的影響

在LSP過程中,誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體沖擊波將向材料內(nèi)部傳播；在向材料內(nèi)部傳播的過程,將發(fā)生材料變形能得轉(zhuǎn)換,再加上材料內(nèi)部存在一定得阻尼,沖擊波的能量將逐漸減弱,使得深層截面的位錯程度也在減弱,致使截面顯微硬度隨深度的增加而降低；當(dāng)達(dá)到一定深度時,等離子體沖擊波的能量將小于工件的塑性變形能,此時將不再引起材料的塑性變形和顯微硬度的提升[7,16]。

3.3 抗拉強(qiáng)度

對LSP處理前后的增材316L不銹鋼進(jìn)行了室溫拉伸實(shí)驗(yàn),以研究LSP在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的作用?？估瓘?qiáng)度是材料在拉伸斷裂前所能承受的最大應(yīng)力,通常用來作為控制材料質(zhì)量的指標(biāo)。LSP對增材316L不銹鋼抗拉強(qiáng)度的影響如圖6所示。從圖6中可知:未經(jīng)LSP處理的增材316L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度為568.2 MP；經(jīng)LSP處理,激光能量為3 J、4 J和5 J的增材316L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度分別為611.6 MPa、633.3 MPa和646.5 MPa,分別較未LSP處理提高了7.64 %、11.46 %和13.78 %。

圖6 LSP對增材316L不銹鋼抗拉強(qiáng)度的影響

材料在激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波作用下,位錯運(yùn)動將加劇,并在材料近表層形成大量的孿晶、細(xì)晶粒和位錯纏結(jié)等[18-19]。在多晶體中,晶界的變形抗力較大,這些晶粒使得表層的總晶界面積增加,在拉伸時孿晶界以及細(xì)晶粒晶界作為一種障礙物阻礙了位錯向裂紋尖端處的移動,從而提高了材料的抗拉強(qiáng)度。此外,較高的激光能量可以誘導(dǎo)產(chǎn)生較高的沖擊波壓力,使得近表層材料的晶粒細(xì)化程度和晶粒細(xì)化層深度提高,從而致使材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

4 結(jié) 論

利用LSP技術(shù)對增材316L不銹鋼進(jìn)行表面處理,研究了LSP對增材316L不銹鋼殘余應(yīng)力、顯微硬度和抗拉強(qiáng)度的影響。本研究主要結(jié)論如下:

(1)通過增材制造工藝打印出來的工件,其近表層存在一定數(shù)值的殘余拉應(yīng)力層,難以滿足高性能材料的工藝要求；

(2)經(jīng)LSP處理,增材316L不銹鋼近表面將引入了殘余壓應(yīng)力、并伴隨著顯微硬度和抗拉強(qiáng)度的顯著提高；所引入的殘余壓應(yīng)力、顯微硬度和抗拉強(qiáng)度隨激光能量的增加而增加,表明較高的激光能量能夠獲得較好的激光沖擊強(qiáng)化效果；

(3)經(jīng)LSP處理,增材316L不銹鋼的截面顯微硬度分布規(guī)律與殘余應(yīng)力分布規(guī)律類似,但顯微硬化層深度要比殘余壓應(yīng)力層深度大0.15～0.25 mm。

(4)LSP是一項(xiàng)有效的表面改性技術(shù),可作為一項(xiàng)后處理技術(shù)用來提高增材制造產(chǎn)品的力學(xué)性能。