高温合金激光冲击处理后残余应力及裂纹分析

 杨  莉

 （四川工程职业技术学院）

 摘要利用激光冲击处理技术对GH141高温合金表面进行了冲击，采用X射线衍射法对其冲击处理前后残余应力分布进行了测试，并观察了其冲击处理前后疲劳裂纹产生情况。结果发现，GH141高温合金在冲击处理前残余应力均表现为拉应力，应力值约为200 MPa，在经过激光冲击处理后残余应力均转变为压应力，应力值约为-400 MPa，且硬度提高了20%～25%。在冲击过程中，发现处理后疲劳裂纹明显减少，说明激光冲击能有效降低疲劳裂纹的萌生，提高疲劳寿命。

 关键词  高温合金；激光冲击处理；残余应力；疲劳裂纹

 中图分类号  TG132.3+2；TG174.4  DOI:10. 15980/j．tzzz. 2016. 06. 025

 高温合金由于其优秀的性能，不仅应用于飞机、船舶、工业和车辆用燃气涡轮机，还用于宇宙飞行器、火箭发动机、试验性飞机、核反应堆、潜艇等领域。常见的高温合金主要为钴基合金、镍基合金和铁基合金。研究者对高温合金的力学性能、物理性能、表面特征及焊接过程等做了大量研究，为进一步提高合金的工作温度和改善中温或高温下承受各种载荷的能力．延长合金寿命做出较大的贡献。

 金属材料的主要失效形式，如疲劳和腐蚀均始于材料表面，所以金属材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波来提高金属材料的各项性能，由于其表面强化效果好，因而得到了广泛的关注和研究。本课题对GH141镍基高温合金进行了激光冲击处理，测定其冲击前后残余应力分布并对其疲劳裂纹产生情况进行了观察分析，以期为高温镍基合金的生产和失效防护提供参考。

1  试验方法

 试验材料为GH141合金板，尺寸为280 mm×178mm×10 mm，其化学成分见表1。该试验首先经过固溶时效处理，处理工艺为1 080℃×0.5 h，冷却至900℃后保温4h，然后空冷至室温。处理完成后用X射线衍射法对其残余应力进行无损测试。然后利用强激光冲击强化装置对GH141合金表面进行冲击处理，处理区域为测试表面中心区域280 mm×80 mm。激光冲击装置主要由高功率钕玻璃激光系统、激光电源系统、激光能源系统及激光冲击头系统组成。其中激光装置的主要技术参数：输出光发散度θ≤1.7 mrad，脉冲能量约为30 J，峰值功率≥2×109 W，激光脉宽为23 ns，输出不稳定性≤±10%，ASE系统能量约为15 m J。激光冲击处理采用单面冲击，光斑为圆形光斑，光斑搭接率为50%。激光冲击强化处理基本原理见图1。

 X射线衍射法所用仪器为X-350A型应力仪，其管电压为22 kV，管电流为6 m A，钻靶Ka特征辐射，准直管直径为ϕ2 mm，阶梯扫描步进角为0.10，时间常数为1s，扫描起始角及终止角分别为1630和1550，侧倾角山分别为00、150、250和350。采用扫描电镜观察疲劳裂纹产生情况。

2  结果与讨论

2.1  残余应力变化

 利用X-350A型X射线应力仪对激光冲击前后GH141合金表面局部残余应力进行测试对比，测试位置都为垂直于板中心线的同一条直线。测试示意图及测试结果见图2。

 从图2可以看出，激光冲击处理前母材残余应力为拉应力，大小为200 M Pa左右，而经过激光冲击处理后残余应力变成了压应力，大小在-400 M Pa左右。残余压应力的存在可以提高疲劳强度、断裂韧度，并且降低宏观疲劳裂纹的萌生，提高疲劳寿命，还能有效地提高工件表面的强度和硬度。

 在激光冲击处理的过程中，激光会通过照射约束层并通过它而被金属材料表面所依附的吸收层吸收，本课题所用吸收层材料为黑漆。在吸收层吸收了激光束能量后，温度会升高并且发生气化现象，而气化蒸气则会继续吸收激光能量从而形成等离子体，此时等离子体会继续吸收能量在约束层作用下发生爆炸形成冲击波，这时如果冲击波的峰值压力大于材料的屈服强度，则会发生塑性变形，在材料表面冲击区域产生残余压应力场，从而改变材料的显微组织。

 图3为激光冲击残余应力变化示意图。可以看出，冲击力使得金属材料表层发生压缩变形，从而导致受冲击区域在与材料表面平行的表层内产生伸长变形，进而导致水平方向出现拉应力。而在发生塑性变形时，受冲击区域的变形会受到相邻材料阻碍，从而在水平面上产生一个受压的应力场。当冲击波的压力值小于一定值后，便不再发生塑性变形，达到了残余压力层最大深度。

 对处理前后的GH141高温合金分别随机取3个点进行硬度( HV)测试，处理前硬度(HV)为381、390、387，处理后硬度(HV)为456、463和465，较处理前提高了20%～25%。

2.2疲劳裂纹

 为了观察激光冲击处理对于疲劳强度及疲劳裂纹产生情况的影响，对试验前后对比区域进行高温低周疲劳拉伸试验，试验机为EHF-100KN电液伺服疲劳试验机，试样尺寸见图4，最大载荷为100 k N，试验环境温度为800℃，总应变范围在1%左右，循环频率为1 Hz，引入拉伸应变的时间为30 min。

 试样在同样的循环负载条件下，用扫描电镜对其裂纹进行观察，典型的组织分别见图5。

对比图5和图6可以看出，在激光冲击处理前，在 一定的循环负载条件下，GH141合金开始出现大量明显的疲劳裂纹，而在激光冲击处理后，在同样的条件下，试样并未出现明显疲劳裂纹。激光冲击处理带来的残余压应力可以提高疲劳强度且降低宏观疲劳裂纹的萌生，提高疲劳寿命。

  3  结  论

 激光冲击处理后，GH141高温合金表面残余应力由拉应力变为压应力，数值由200 M Pa变为-400 M Pa。激光冲击处理提高了GH141高温合金表面显微硬度，提高程度为20%～25%。激光冲击处理后，GH141高温合金表面疲劳裂纹明显减少，疲劳寿命提高。