TiAl合金激光冲击强化表面微观形貌演变分析

作者:陆莹;李松夏;乔红超;曲楠;赵吉宾;胡太友; 刊名:稀有金属材料与工程 上传者:宗大伟

【摘要】针对TiAl合金进行激光冲击强化,研究多晶体在强化过程中表面微观形貌演变,发现经过单点激光冲击的试样表面形成的凹坑中存在一些分布不均匀的凸起结构,凸起结构相对高度范围为100~300 nm,凸起边缘为环状凸台;研究激光冲击能量密度对表面凸起结构的影响,发现随着激光能量密度增加凸起结构的数量明显增加,凸起相对高度有增加的趋势,同时凹坑中心平均表面粗糙度明显增加;研究搭接率为50%的多次冲击形貌变化,发现相比于单次冲击,多次冲击凸起数量明显减少,表面粗糙度略有增加,这是因为随着冲击次数增加弹性变形和塑性变形趋于一种饱和状态,弹性变形部分发生回弹。分析表面凸起结构形成机制,建立不均匀塑性变形流模型和冲击波叠加模型,激光冲击强化形成的表面形貌是2种模型相互耦合作用的结果。

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激光冲击强化技术是一种利用激光高能量和高密度对材料表面冲击的一种表面改性技术。其诱导形成的等离子体形成冲击波的作用特点为:当短脉冲高能量密度的激光辐照金属表面时,金属表面的吸收层(黑漆)吸收激光能量发生爆炸性气化,气化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温、高压的等离子体,等离子体受到约束层(水或光学玻璃)的限制,形成高强度压力冲击波,作用于金属表面并向内部传播。激光冲击处理过程主要是吸收层吸收激光能量形成等离子体膨胀爆炸产生冲击波压力的过程[1-4]。在激光烧蚀固体靶的过程中,当激光功率密度达到一定的阈值,便会产生等离子体[5];材料表面在极短瞬间吸收极高能量,所产生的等离子体物质冲击波速度大于声音冲击波速度,并导致相当多的蒸气物质冲击,此种类型等离子体冲击波归结为激光维持的爆轰波[6-8]。冲击波在金属内部传播过程速度是极快,整个过程瞬间完成,但是冲击波的作用过程是比较复杂的[9-11]。当冲击波作用在靶材表面,部分向材料的内部传播,但是有大部分会以冲击波的形式瞬间反射回来,反射波接触到吸收层后可能造成二次反射甚至是多次反射,这样冲击波与反射波相互叠加,形成驻波[12-15]。在金属表面形成的干涉和反射过程会导致金属表面形成的冲击波作用效果发生明显的变化,这将严重影响材料表面形貌[16]。在激光冲击TiAl合金表面强化的过程中,通过表面形貌微观组织观察和测量,本研究发现单点激光光斑形成的凹坑表面并非平整的,在凹坑中存在一些分布不均匀且大小形状不固定的凸起,而且不同于单晶体形成的凸起,多晶体的每个凸起表面形成了带有一定晶体取向的具有层状分布特征的纹理。根据上述现象,结合激光冲击强化冲击波作用特点,对形成凸起的原因进行了推测,并通过对比层状分布纹理和晶体取向之间的关系,分析了凸起结构形成的原因。1实验本实验所用TiAl合金为Ti-45.5Al-2Cr-2Nb-0.15B,其质量分数如表1所示,该样品是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。铸锭经热等静压(1300℃/150 MPa/3.5 h)和机加工制作成大小为50 mm×10 mm×2 mm的试件。用200#、800#、1200#、2000#的砂纸进行预处理,然后用金刚石抛光膏进行抛光,其表面粗糙度Ra小于0.08μm后,用乙醇清洗并用氮气吹干,在试件表面粘贴一层100μm厚的黑胶带用作吸收层。表1 Ti-45.5Al-2Cr-2Nb-0.15B合金的化学成分Table 1 Chemical composition of Ti-45.5Al-2Cr-2Nb-0.15Balloy (ω/%)Al Cr Nb B ON H Ti31.3 2.69 4.88 0.04 0.072 0.013 0.003 Bal.实验工作在中科院沈阳自动化研究所搭建的型号为SIA-LSP-2的激光冲击强化设备上进行,所用的高能脉冲激光器型号为Extra-15,能量为5 J,激光波长为1064 nm,脉宽为14 ns,圆形光斑边长为2 mm,最大重复频率为5 Hz,激光冲击光斑搭接率为50%,光斑轨迹如图1所示,形成的方形加工区域约为10mm×10 mm。在激光冲击强化时,使用厚度约为100μm的黑色胶带为牺牲层,厚度为2 mm的流动水膜作为透明约束层。利用白光干涉表面轮廓仪(White-light interferencesurface profilometer,MicroXAM-3D)观察TiAl合金表面形貌,借助扫描探针图像处理器(Scanning probeimage processor, SPIP)

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