孫汝劍，孟祥峰，姜盎然，曹子文，王新宇，車志剛，吳俊峰，鄒世坤

（1.中國航空制造技術(shù)研究院先進(jìn)表面工程技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2.海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)某軍事代表室，沈陽 110034；3.航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110034）

鈦合金因其具有相對(duì)密度低、比強(qiáng)度高、工作溫度寬、耐腐蝕性優(yōu)等特點(diǎn)，被廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)低溫段部件[1–3]。其中，TC17 鈦合金主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片和壓氣機(jī)整體葉盤、機(jī)匣等[4]。美國F/A–18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)裝備的F414 發(fā)動(dòng)機(jī)第2 級(jí)和第3 級(jí)風(fēng)扇葉片即采用TC17 鈦合金制造。我國從20世紀(jì)80年代中后期開始研制TC17 鈦合金，現(xiàn)已在多種發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得型號(hào)應(yīng)用[1]。然而，TC17 鈦合金部件通常處在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣前端，服役過程中既承受軸向、橫向和側(cè)向力，也承受彎矩、扭矩等質(zhì)量慣性力，還承受著高溫、循環(huán)振動(dòng)以及外來物體擊打等復(fù)雜載荷作用，易發(fā)生屈服變形、疲勞等失效，大幅降低了其服役壽命，嚴(yán)重影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的長壽命、高可靠服役[4–5]。

激光沖擊強(qiáng)化是一種先進(jìn)的表面改性抗疲勞制造技術(shù)，能夠在材料表面誘導(dǎo)產(chǎn)生高幅值、大深度殘余壓應(yīng)力，改善材料表層微觀組織，提高材料抗疲勞、磨損和腐蝕等綜合性能[6–9]，然而，激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等薄壁結(jié)構(gòu)零件時(shí)仍存在一些技術(shù)問題，如表面粗糙度增加影響氣動(dòng)性能、進(jìn)排氣邊緣扭曲變形、沖擊芯部區(qū)域的層裂等。激光沖擊誘導(dǎo)層裂是激光沖擊加載稀疏波與靶材背面反射稀疏波碰撞產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用于局部區(qū)域，產(chǎn)生損傷累積，并造成材料內(nèi)部破壞的動(dòng)態(tài)失效現(xiàn)象。層裂的產(chǎn)生首先會(huì)經(jīng)過微孔洞的萌生、成長，隨后微孔洞之間相互貫通形成較大的裂紋，最終誘導(dǎo)層裂破壞[10]。

唐志平等[11]早在1992年就采用釹玻璃激光沖擊鋁靶材和鐵靶材，并獲得了層裂試驗(yàn)的初步結(jié)果。21世紀(jì)初，王永剛等[12]采用任意反射面速度干涉儀對(duì)LY12 鋁合金在不同溫度下的層裂行為進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，層裂強(qiáng)度隨著溫度升高而減小。進(jìn)入到2010年后，激光沖擊誘導(dǎo)層裂的研究受到更多關(guān)注，本研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)TC17 鈦合金[13]、7050鋁合金[14]開展了層裂試驗(yàn)研究，并基于葉片開展了層裂預(yù)防方法研究。有限元數(shù)值模擬方面，Cao 等[15]采用有限元數(shù)值模擬研究了激光誘導(dǎo)沖擊波在均質(zhì)固態(tài)材料、雙層材料中的傳遞特性，并預(yù)測(cè)了相應(yīng)的層裂行為。姚紅兵等[16]采用有限元數(shù)值模擬方法對(duì)TC4 的層裂行為進(jìn)行模擬研究，指出應(yīng)變率及層裂強(qiáng)度隨著激光沖擊波峰值功率的增大而增大，隨著激光沖擊加載時(shí)間的延長而減小。然而，上述研究均是從力學(xué)角度探究激光沖擊誘導(dǎo)層裂問題，對(duì)于激光沖擊誘導(dǎo)層裂的材料學(xué)行為尚缺乏深入研究。此外，上述研究均是針對(duì)平板結(jié)構(gòu)開展研究，針對(duì)葉片等真實(shí)構(gòu)型試件的研究也不充分。

因此，本文首先根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)具有特征葉型的葉片模擬件，并對(duì)其開展激光沖擊處理，探究多次沖擊下的層裂行為，并進(jìn)一步通過不同厚度平板試樣研究試樣厚度以及光斑形狀對(duì)層裂產(chǎn)生位置的影響，從微觀組織角度揭示激光沖擊產(chǎn)生的條件，為激光沖擊誘導(dǎo)層裂研究提供全新思路，為激光沖擊強(qiáng)化在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料及試樣

本研究選用材料為富β 穩(wěn)定元素的α+β 兩相TC17 鈦合金，其名義化學(xué)成分為Ti–5Al–2Sn–2Zr–4Mo–4Cr。該合金強(qiáng)度高、斷裂韌度好、鍛造溫度范圍寬，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤等部件的關(guān)鍵材料。表1 為本研究中TC17 鈦合金的詳細(xì)化學(xué)成分。

表1 TC17 鈦合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of TC17 titanium alloy(mass fraction)%

圖1（a）為根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片葉型設(shè)計(jì)的變截面厚度葉片模擬件，其截面輪廓尺寸為25 mm×9.5 mm，葉尖部分圓角半徑為0.3 mm（圖1（b））。采用數(shù)控加工與機(jī)械磨拋將試樣加工成形。

圖1 激光沖擊試樣Fig.1 Specimen for laser shock peening

為進(jìn)一步明確層裂產(chǎn)生的條件，本研究設(shè)計(jì)了3 種不同厚度平板試樣（厚度t分別為2 mm、3 mm、5 mm）以探究層裂與試樣形狀和激光光斑的關(guān)系，試樣形式如圖1（c）所示。

1.2 激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)

采用中國航空制造技術(shù)研究院裝備的LAMBER–H40 型激光系統(tǒng)進(jìn)行沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)。該系統(tǒng)由Nd：YAG 脈沖激光發(fā)生器、外部反射聚焦光路、多自由度機(jī)械手臂以及控制程序等部分組成。在沖擊前，使用厚度為100 μm 的3M 專用鋁箔膠帶作為吸收層粘貼在試樣表面，并調(diào)節(jié)去離子水噴射角度使其在試樣表面形成1～2 mm 的穩(wěn)定水流層。沖擊時(shí)，激光經(jīng)聚焦、整形后形成特定形狀的光斑作用在試樣表面的鋁箔膠帶上。由于層裂通常產(chǎn)生于過沖擊的情形，即過大的激光能量或過多的沖擊次數(shù)，故本研究在固定激光能量的條件下，研究不同光斑形狀（方形和圓形）下沖擊次數(shù)對(duì)層裂的影響，沖擊區(qū)域大小即為方形/圓形單光斑大小。具體參數(shù)為激光能量25 J、光斑大小4 mm（方形光斑邊長為4 mm，圓形光斑直徑為4 mm），沖擊次數(shù)以產(chǎn)生層裂的次數(shù)為上限。

1.3 測(cè)試及表征

利用電火花線切割將沖擊后的試樣沿圖1（a）中的虛線切開，保證切口位置恰好經(jīng)過激光沖擊光斑中心，隨后通過機(jī)械磨拋將切開的截面制備成無劃痕的鏡面，進(jìn)而采用基恩士VHX–5000 型光學(xué)超景深顯微鏡觀察是否產(chǎn)生層裂以及測(cè)量層裂產(chǎn)生部位與試樣底部之間的距離。采用裝配有EDS 能譜儀的蔡司Gemini 500 型掃描電子顯微鏡對(duì)層裂附近元素進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 變厚度葉片模擬件試樣

圖2 為不同沖擊次數(shù)下TC17鈦合金變厚度葉片模擬件試樣截面宏觀光鏡圖。由圖2（a）～（d）可知，2～5 次沖擊下葉片模擬件未發(fā)生形變或產(chǎn)生層裂，保持著初始葉型特征。這說明5 次以下激光沖擊誘導(dǎo)的累計(jì)損傷未達(dá)到該材料的破壞極限。而當(dāng)沖擊次數(shù)進(jìn)一步增加到6～8次時(shí)，如圖2（e）～（g）所示，葉片模擬件發(fā)生明顯翹曲變形，上輪廓邊明顯偏離11°基準(zhǔn)線，且偏離程度隨沖擊次數(shù)的增加而增大。葉片發(fā)生翹曲變形是因?yàn)殡S著激光沖擊次數(shù)的增加，沖擊作用面產(chǎn)生的凹坑深度增加，其表面積擴(kuò)大，形成向外的擠壓作用，從而使得葉片產(chǎn)生向另一側(cè)的變形。此外，在6～8 次激光沖擊時(shí)，葉片模擬件試樣內(nèi)部均觀察到了明顯的層裂，但層裂長度與沖擊次數(shù)之間無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，這說明層裂的產(chǎn)生不僅與激光誘導(dǎo)沖擊波傳遞過程有關(guān)，還可能與材料本身屬性相關(guān)。需要指出的是，當(dāng)沖擊次數(shù)為8 次時(shí)（圖2（g）），葉片模擬件試樣沖擊作用背面出現(xiàn)局部剝落現(xiàn)象，這是由層裂擴(kuò)展出現(xiàn)的局部撕裂所致。Wu等[17]在激光沖擊7050 鋁合金中也觀察到了類似的剝落現(xiàn)象，并通過掃描電鏡對(duì)撕裂端口進(jìn)行了觀察。

圖2 葉片模擬件多次激光沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.2 OM images on cross-section of multi-times peened blade simulator

2.2 等厚度平板試樣

為進(jìn)一步探究層裂產(chǎn)生條件，本節(jié)首先采用方形光斑沖擊厚度為2 mm、3 mm 以及5 mm 的平板試樣，研究試樣厚度對(duì)層裂產(chǎn)生的影響，進(jìn)而采用圓形光斑沖擊厚度為3 mm和5 mm 的平板試樣，對(duì)比研究光斑形狀對(duì)層裂產(chǎn)生的影響。

2.2.1 試樣厚度對(duì)層裂的影響

圖3～5 分別為方形光斑多次激光沖擊2 mm、3 mm 和5 mm 平板試樣后的截面光鏡圖。圖3 為5～9 次沖擊2 mm 厚TC17 鈦合金試樣的結(jié)果?？梢?，沖擊后基材表面向內(nèi)側(cè)凹陷變形，且隨著強(qiáng)化次數(shù)的增加，凹陷程度逐漸增加[18]。此外，當(dāng)激光沖擊次數(shù)增加到第9 次時(shí)，激光沖擊作用區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯層裂，通過測(cè)量可知其距離試樣下表面360 μm。

圖3 2 mm 厚平板試樣方形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.3 OM images on cross-section of multi-times square spot peened 2 mm thick plate

當(dāng)試樣厚度增加到3 mm 時(shí)（圖4），隨著激光沖擊次數(shù)增加，試樣表面凹陷變形規(guī)律與2 mm 厚度試樣一致。不同的是，3 mm 平板試樣沖擊時(shí)，層裂出現(xiàn)在第10 次沖擊后，因此可以認(rèn)為3 mm 厚度試樣比2 mm厚度試樣具有更高的層裂抗力。而具體到層裂產(chǎn)生位置上，3 mm 試樣上層裂出現(xiàn)在距試樣下表面429 μm深度上，比2 mm 厚度試樣內(nèi)的層裂更靠近內(nèi)側(cè)。

圖4 3 mm 厚平板試樣方形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.4 OM images on cross-section of multi-times square spot peened 3 mm thick plate

圖5 為5 mm 厚度平板試樣7～12次沖擊后的層裂結(jié)果。盡管多次沖擊后試樣表面出現(xiàn)了明顯凹陷變形，但均未觀察到明顯的層裂，這說明層裂不易產(chǎn)生于較大厚度試樣。激光沖擊時(shí)，激光誘導(dǎo)沖擊波峰值壓力在試樣上表面具有極大值，隨著沖擊波向材料內(nèi)部傳遞，峰值壓力逐漸降低，在較大厚度試樣中沖擊波的壓力極有可能在未傳遞到下表面時(shí)就已衰減到彈性應(yīng)力區(qū)間，最終無法形成層裂。

圖5 5 mm 厚平板試樣方形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.5 OM images on cross-section of multi-times square spot peened 5 mm thick plate

對(duì)比激光沖擊2 mm、3 mm 和5 mm 厚度平板試樣的層裂情況可知，激光沖擊誘導(dǎo)層裂與試樣厚度存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，即隨著試樣厚度的增加，產(chǎn)生層裂所需的沖擊次數(shù)增加，當(dāng)試樣厚度增加到某一閾值后，某一特定激光能量下甚至不會(huì)產(chǎn)生層裂。胡昌明等[19]研究不同應(yīng)變率下45 鋼層裂特性時(shí)也指出層裂強(qiáng)度并非一個(gè)定值。

2.2.2 光斑形狀對(duì)層裂的影響

圖6 和7 分別為圓形光斑多次激光沖擊3 mm 和5 mm 平板試樣后的截面光鏡圖。與方形光斑結(jié)果一致的是，在3 mm 厚度試樣中，10 次沖擊后產(chǎn)生層裂，但層裂位置相對(duì)于方形光斑沖擊時(shí)距離試樣底面更近，其距離為229 μm。在5 mm 厚度試樣中，當(dāng)沖擊次數(shù)增加到12 次時(shí)，也未能觀察到明顯的層裂。

圖6 3 mm 厚平板試樣圓形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.6 OM images on cross-section of multi-times round spot peened 3 mm thick plate

圖7 5 mm 厚平板試樣圓形光斑多次沖擊后截面宏觀光鏡圖Fig.7 OM images on cross-section of multi-times round spot peened 5 mm thick plate

因此，對(duì)比方形光斑和圓形光斑沖擊結(jié)果可見，層裂的產(chǎn)生與采用的光斑形狀之間無明顯關(guān)系，方形光斑和圓形光斑沖擊下均可能產(chǎn)生層裂。

2.3 激光沖擊誘導(dǎo)層裂微觀機(jī)制

圖8 統(tǒng)計(jì)的是不同條件下產(chǎn)生層裂深度與平板試樣厚度之間的比值。方形光斑沖擊2 mm 試樣下層裂深度與試樣厚度比值為82%，方形光斑沖擊3 mm 試樣下層裂深度與試樣厚度比值為85.7%，圓形光斑沖擊3 mm 試樣下層裂深度與試樣厚度比值為92.3%。對(duì)比方形光斑沖擊2 mm 和3 mm 試樣可知，同樣激光參數(shù)下層裂產(chǎn)生具體位置與試樣厚度之間的比值并非定值；對(duì)比方形光斑和圓形光斑沖擊3 mm 試樣可知，同樣厚度試樣下，采用不同激光沖擊參數(shù)層裂產(chǎn)生具體位置也不同。這說明層裂的產(chǎn)生并非絕對(duì)沖擊波傳遞作用的效果，也可能與缺陷、偏析等材料學(xué)因素相關(guān)。

圖8 不同條件下產(chǎn)生層裂深度與平板試樣厚度之間的比值Fig.8 Ratio between depth of spalling and thickness of plate in different peening conditions

圖9 為圖2（f）中所示試樣層裂區(qū)域掃描電鏡圖。圖9（b）為圖9（a）中紅色方框的放大圖。如圖9所示，兩處層裂的寬度分別為11.2 μm 和9.1 μm。表2 為采用EDS 能譜儀測(cè)定的層裂附近不同點(diǎn)位處元素分布結(jié)果。A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)位于層裂兩側(cè)的基體上，D區(qū)位于層裂中心?？梢钥闯觯袦y(cè)試點(diǎn)位的Cr和Sn 元素均高于名義值，這說明Cr和Sn 元素在層裂附近出現(xiàn)了明顯富集。此外，D區(qū)Ti 元素的含量明顯低于A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)，這說明層裂附近不僅富Cr 和Sn 還出現(xiàn)了貧Ti，這樣的元素分布結(jié)果易形成局部軟化區(qū)，從而導(dǎo)致層裂的產(chǎn)生。這再次證明層裂的產(chǎn)生與微觀成分偏析等現(xiàn)象也存在一定的關(guān)聯(lián)。

圖9 層裂區(qū)域的掃描電鏡圖Fig.9 SEM image of spalling region

表2 層裂區(qū)域的EDS 元素分布（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 EDS element distribution in the spalling region(mass fraction)%

3 結(jié)論

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片設(shè)計(jì)具有特征葉型的TC17 鈦合金葉片模擬件，探究其采用25 J 激光能量、4 mm 光斑多次沖擊下的層裂行為，并通過設(shè)計(jì)具有不同厚度的平板試樣，進(jìn)一步研究試樣厚度以及光斑形狀對(duì)層裂產(chǎn)生位置的影響。主要結(jié)論如下。

（1）葉面夾角為11°的TC17 鈦合金變厚度葉片模擬件激光沖擊時(shí)，沖擊面出現(xiàn)凹陷變形，葉片宏觀呈現(xiàn)翹曲變形，6 次沖擊后產(chǎn)生層裂，8 次沖擊后背面出現(xiàn)局部剝落。

（2）激光沖擊誘導(dǎo)層裂與試樣厚度正相關(guān)，隨著試樣厚度的增加，層裂產(chǎn)生的沖擊次數(shù)閾值升高，但層裂產(chǎn)生的深度與試樣厚度的比值并非定值。此外，層裂的產(chǎn)生與否和光斑形狀無明顯關(guān)系，采用圓形光斑和方形光斑均誘導(dǎo)產(chǎn)生層裂。

（3）激光沖擊誘導(dǎo)層裂區(qū)域微觀組織存在明顯成分偏析，表現(xiàn)為Cr 和Sn 元素富集，并形成軟化區(qū)，激光沖擊誘導(dǎo)的層裂不僅與沖擊波的傳遞特性有關(guān)，還可能與成分偏析、元素富集等材料缺陷相關(guān)。