GH742激光冲击实例及应用-残余应力基础理论

高玉魁［28］对GH742高温合金进行了常规喷丸和激光冲击强化，测量了两种表面强化引入的残余应力，分析了550℃、650℃、750℃和850℃温度下表面残余应力在疲劳作用下的松弛规律，对比了激光冲击强化试样和喷丸强化试样的残余应力，为推动表面强化技术在GH742高温合金上的应用和提高航空发动机的使用寿命提供了研究依据和实验支撑。

5.6.2.1　实验操作

实验用GH742高温合金的主要化学成分为9.5%Co、14.6%Cr、2.5%Al、5.2%Mo、2.5%Nb、2.46%Ti、0.85%Fe、0.04%C和余量Ni。采用VIM＋VAR双真空冶炼成圆棒。热处理制度为1 120℃/8 h，AC＋850℃/6 h，AC＋780℃/16 h，AC。热处理后室温下的拉伸性能为抗拉强度Rm＝1 428 MPa，屈服强度Rs＝958 MPa，延伸率δ＝22%，断面收缩率ψ＝28%。

测试残余应力试样的规格为10 mm×10 mm×10 mm。对机械加工后的试样进行抛光，使粗糙度Ra达到0.6μm，再对抛光试样表面进行喷丸强化和激光冲击强化。喷丸时，采用陶瓷弹丸Z300，在A类弧高度试片饱和点分别为0.08 mm、0.12 mm、0.15 mm、0.18 mm、0.20 mm和0.25 mm的条件下对旋转试样进行90°喷射4 min。激光冲击强化在固体钕玻璃激光脉冲设备上进行，脉冲频率10 Hz、脉冲宽10ns、波长1.064μm，脉冲能量分别为4 J、6 J、10 J、15 J、20 J和30 J，用黑漆作为吸收层、流动水作为约束层。激光冲击时疲劳试样水平进给，但激光光斑位置固定不动。

利用加拿大Proto公司生产的X射线应力仪测量残余应力。测量采用Mn靶，衍射晶面为（311）。采用电解抛光方法逐层测量表面强化层内的残余应力。对表面强化试样在550℃、650℃、750℃和850℃不同温度下保温2 h，测量其表面残余应力的稳定性和松弛情况。

5.6.2.2　实验结果

图5-22　GH742试样喷丸强化（a）和激光冲击强化（b）残余应力分布

不同强度的喷丸强化和激光冲击强化试样表面强化层内残余应力的分布分别见图5-22a、b。可以看出，激光冲击强化试样的最大残余压应力在表面，而喷丸强化试样的最大残余压应力位置在喷丸强度低时位于表面，而随着喷丸强度的增加，逐渐移向次表面，而且通常在距表面20～40μm的位置；喷丸强化和激光冲击强化表面残余压应力数值均在800～1 200 MPa；激光冲击强化残余压应力场较深，为1.0～1.4 mm，而喷丸强化残余压应力场深仅为0.2～0.4 mm；激光冲击强化残余应力在近表面区域梯度较小。此外，随着喷丸强度的增加，表面残余压应力数值先增加而后逐渐减小。这是因为低强度喷丸时（如0.08 mm）试样表面在弹丸的冲击下塑形变形还不够充分，变形量也没有达到饱和；而随着喷丸强度的增加，表面的塑性变形逐渐充分并达到饱和（如0.12 mm），此时的表面残余压应力约为1 150 MPa；再增加喷丸强度（如0.15～0.25 mm），表面的塑性变形将迅速达到饱和、发生损伤、导致残余应力产生松弛，因此残余应力数值将减小。对于激光冲击，随着冲击能量的增加，表面残余压应力数值不断增加，并逐渐达到饱和状态和趋于某一个稳定数值（如15 J、20 J和30 J时表面残余应力都达到了约1 200 MPa）。

喷丸强化和激光冲击强化试样在不同温度（550℃、650℃、750℃和850℃）下的表面残余应力分别见图5-23a、b。可以看出，激光冲击强化引入的残余应力比较稳定，在不同温度下的松弛幅度都比喷丸强化要低，这将有利于提高GH742合金在高温下的疲劳性能。

图5-23　不同温度下GH742试样喷丸强化（a）和激光冲击强化（b）表面残余应力的分布(www.xing528.com)

为了分析残余应力在高温下的稳定性，需要了解喷丸和激光冲击强化时表面层的冷作硬化程度或塑性变形情况。文献［29］表明，采用X射线衍射峰的半高宽可以表征冷作加工时表面的塑性变形。GH742高温合金喷丸强化和激光冲击强化后试样在表面强化层的衍射峰半高宽分别见图5-24a、b。可以看出，激光冲击强化表面强化层内的冷作硬化程度要明显低于喷丸强化所形成的冷作硬化。

5.6.2.3　分析讨论

激光冲击强化作为一种新型的高能束流表面形变改性工艺，在国外已经发展了40余年［30］，国内近年来才有系统的研究［31］，尤其是在高性能的脉冲激光器和自动控制系统设备上还需要进一步研究，在强化机理和工程应用方面也需要逐步推进。激光冲击强化作为一种无丸冲击，是利用高压爆破的离子体来高速冲击材料表层，使其发生弹塑性变形的力学效应而非热效应，在表层形成残余压应力，以提高疲劳性能和应力腐蚀开裂抗力。

图5-24　GH742高温合金喷丸强化（a）和激光冲击强化（b）表面强化层内的（311）衍射峰半高宽

与传统的喷丸强化相比，激光冲击强化具有脉冲时间短、频率高、单位面积能量密度大和强化部位精准以及覆盖率便于控制等优点，从而率先在美国的航空发动机钛合金压气机叶片上得以应用。从强化机理上来看，激光冲击强化所引入的残余压应力层更深，本实验的GH742合金激光冲击强化最大的残余压应力层深度约为喷丸强化残余压应力层深度的7倍。较深的残余压应力层对于延长裂纹的扩展寿命有利，将减小裂纹的扩展速率；此外，较高的残余压应力将有效减小表面的载荷作用，对于抵抗裂纹的萌生有利。试样经表面强化形成表层残余应力可使疲劳裂纹难以在表面萌生，这对于提高疲劳性能是非常有利的。但是残余应力要想维持住这种有效作用，需要在一定温度下稳定在一定水平，尤其对于高温合金材料，设计其疲劳寿命时应考虑残余应力在高温下的松弛。

无论是激光冲击强化还是喷丸强化，GH742试样经过强化处理后表面都是残余压应力，而且随着喷丸强度的增加或冲击能量的增大，表面残余应力有一个饱和数值，也是其最大数值，约为1 200 MPa，这个数值要大于其屈服强度958 MPa而更接近于抗拉强度。通常残余应力要小于屈服强度，但对于面心立方结构的镍基合金而言，其加工硬化效应较强，而且喷丸时的高速弹丸或激光产生的高压气团脉冲式加载到试样表面，如再考虑到材料的包辛格效应，表面残余应力是可大于屈服强度但小于抗拉强度的。

此外，从GH742合金喷丸强化和激光冲击强化的冷作硬化程度来看，喷丸强化具有更大的冷作变形量，虽然仅仅局限并集中在近表面的区域，而激光冲击强化的冷作加工量较小且在较深范围存在。这说明激光冲击强化时的应力波弹性应力要大于塑性应力，而喷丸时则恰恰相反。合金表面强化残余应力在高温下会松弛，而表面强化引入的残余压应力因在高温下的松弛对疲劳性能不利，这意味着温度的增加将导致残余压应力减小。残余应力松弛是一个比较复杂的科学问题和工程上较为重要的问题。表面强化残余应力在高温下的松弛不仅与材料在高温下的屈服强度有关，而且与表面强化的冷作程度、高温下的保持时间以及残余应力的大小及其所处的位置均相关。

工程应用中对于残余应力松弛的关注不大。但本实验表明，对于GH742合金而言，表面强化所引入的残余压应力高温下松弛较大，尤其是对于喷丸强化试样，850℃表面残余应力松弛后仅为室温下的1/3。即使对于冷作强化程度低的激光冲击强化试样，850℃表面残余应力松弛后也将为室温下的1/2。因此残余应力在高温下的松弛作用不可忽视，尤其是对于高温合金表面强化零件的寿命设计，更应该引起重视。