摘要

 针对 K24 镍基铸造合金材料表面粗糙度大引起吸收保护层贴合不紧密的问题，提出采用无保护层激光冲击 (LSPwC)方法对 K24 合金进行强化，利用高周疲劳实验验证其强化效果，并从残余应力、微观组织方面讨论疲劳性能改善机理。实验结果表明：相对于原始叶片，LSPwC 后的模拟叶片的疲劳强度提高 16%，保温后疲劳强度提高 11%。LSPwC 在试样表层诱导产生高幅值残余压应力和高密度位错，从而提高模拟叶片的疲劳性能；保温后，大部分残余压应力发生松弛，位错结构具有较好的热稳定性，这是保温后模拟叶片疲劳性能提高的主要原因。关键词 激光技术; 高周疲劳; 无保护层激光冲击强化; K24 合金; 微观组织; 残余压应力中图分类号 TG665 文献标识码 A doi: 10.3788/CJL201542.1003002 Study of Micro-Scale Laser Shock Processing without Coating Improving the High Cycle Fatigue Performance of K24 Simulated Blades Jiao Yang He Weifeng Luo Sihai Zhou Liucheng Li Yinghong Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory, Air Force Engineering University, Xi′an, shaanxi 710038, China Abstract Protective layers can not fit well with the surfaces of the materials due to the surface roughness of the K24 nickel based alloy is high. So the laser shock processing without coating (LSPwC) is carried out on the K24 alloy and the high cycle fatigue tests are conducted to verify the reinforcement effect. The mechanisms of the residual stress and microstructures to fatigue performances are discussed. The results show that, compared with the untreated specimen, the fatigue strength of the specimen treated by LSPwC is improved by 16% and that after heat preservation is improved by 11%. Under the effects of the compressive residual stress and high density dislocations that induced by LSPwC, the fatigue performances of the specimens are improved. After heat preservation, the majority of compressive residual stress release, the dislocations have great stability, and this is the main cause of the high cycle fatigue performance improvement. Key words laser technique; high cycle fatigue; laser shock processing without coating; K24 alloy; microstructure; residual compressive stress OCIS codes 140.3460; 140, 3390; 160.3900 收稿日期: 2015-03-20; 收到修改稿日期: 2015-05-09 基金项目: 国家 973 计划(2015CB057400)、国家自然科学基金(51205406)、陕西省自然科学基金(2012JQ6012) 作者简介: 焦 阳(1991—)，男，硕士研究生，主要从事航空部件损失修复等方面的研究。E-mail:: young_joeafeu@163.com 导师简介: 何卫锋(1977—)，男，博士，副教授，主要从事航空发动机结构强度和激光冲击强化等方面的研究。 E-mail: hehe_coco@163.com(通信联系人) 1 引 言 K24 合金是我国自主研制的一种新型铸造镍基高温合金，其高温强度高、塑性和工艺性较好，适用于制造 950 ℃以下工作的涡轮转子叶片和导向叶片等部件，目前其应用于国产某型发动机涡轮叶片等热端部件的制造[1-2] 。发动机涡轮叶片在服役过程中多次发生高周疲劳断裂问题，严重影响飞行安全[3-4] 。为了提高金属部件的疲劳性能，Fairand 等[5-9] 采用激光冲击强化的方法对金属部件表面进行改性，从而提高其抗疲劳、耐磨损性能。K24 合金作为一种铸造合金，表面粗糙度大，吸收保护层与试样表面贴合不紧密，保护层与试样表面存在间隙，激光诱导冲击波打坏吸收保护层，从而严重影响冲击效果。为了解决 K24 合金叶片的强化问题，提出采用无保护层激光冲击强化(LSPwC)方法对 K24 进行表面处理。 LSPwC 原理与激光冲击强化基本相同，但 LSPwC 采用的脉冲激光能量小，脉宽短，脉冲激光在试样靶材表面引起的热效应可以忽略不计[10] 。由于 LSPwC 的特殊优势，国外学者进行了相关探索研究并取得了一定的成果，其主要形成了以日本学者 Sano 为核心的研究团队，其针对不锈钢、钛合金、铝合金等材料进行了 LSPwC 实验研究[11-14] 。结果表明，LSPwC 可以在试样表层诱导产生一定厚度的残余压应力层，有效消除构件表面疲劳拉应力，显著提高金属构件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能。除此之外，Kalainathan 等[15-17] 也相继开展了 LSPwC 研究。对 K24 铸造镍基合金开展 LSPwC 研究，对解决表面粗糙度大合金材料激光冲击强化问题具有重大意义。以 K24 模拟叶片为研究对象，研究 LSPwC 对模拟叶片常温以及高温保温后振动疲劳性能的影响，并从残余应力、微观组织方面讨论疲劳性能改善机理。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料实验选用 K24 镍基合金模拟叶片，其主要的化学成分如表 1 所示，模拟叶片尺寸如图 1 所示。

2.2 LSPwC 工艺

由于发动机涡轮叶片长期在交变载荷作用下服役，叶片最大应力往往在根部产生，采用 ABAQUS 有限元软件对模拟叶片一阶振动条件下应力分布规律进行数值模拟，其结果如图 2 所示。由图 2 可知振动过程中最大应力即薄弱区在叶片根部出现，因此确定模拟叶片上该区域为强化区，约为叶身的 1/3 部分。为了降低叶片边缘的拉应力和扭转变形，提出采用不等应力分布的冲击方案，冲击区域如图 3 所示。由应力分布结果可知， 1 区形成的残余拉应力最大，是应力敏感部位，且该区域不会出现边缘效应引起的扭转变形，因此采用能量为 50 mJ、脉宽为 8 ns、光斑直径为 0.4 mm、搭接率为 50%的冲击参数，其功率密度约为 4.97 GW/cm2 ；2、3、4 区域采用能量为 50 mJ、脉宽为 8 ns，光斑直径为 0.6 mm，搭接率为 50%的冲击参数，功率密度约为 2.1 GW/cm2 。 LSPwC 系统如图 4所示，该实验系统由机械手、水箱、光学运动平台和小能量激光器组成，该型激光器参数如表 2 所示。在水箱中，机械手对试样进行夹持固定，通过控制机械手的运动轨迹，实现对试样的激光冲击。

2.3 振动疲劳实验

实验采用疲劳升降法考核 1×107 循环次数下试件的疲劳强度，振动疲劳实验在 D-300 电磁振动实验系统上完成。采用根据叶片外形专门设计的夹具夹持试件根部，使试件端部和夹具平齐，然后将夹具固定在电磁振动台上，振幅监测与测试系统如图 5(a)所示，采用读数显微镜对试件尖端振幅进行测量，并采用电涡流传感器进行实时监控，振动试件及应变片如图 5(b)所示。图 5 振动疲劳系统。(a) 振幅监测与测试系统; (b) 振动试件及应变片 Fig.5 Device of vibration fatigue. (a) Amplitude monitoring and testing system; (b) vibration specimen and strain gauge 实验前采用扫频法测出试件的自振频率，如果激振频率相比叶片自振频率累积下降 1%且循环次数低于 107 ，则实验终止并判定试片“破坏”；如果循环次数达到 107 且激振频率累积下降小于 1%，则实验终止并判定试片“越出”。

3 实验结果与分析

3.1 疲劳实验结果

把试件按照处理工艺分为 3 组，第 1 组为原始模拟叶片；第 2 组为采用无保护层激光不等应力冲击处理后的模拟叶片；第 3 组为强化后 800 ℃保温。实验采用成组对比法，试样的升降图如图 6 所示。通过计算可得，原始模拟叶片的疲劳强度为 282 MPa，LSPwC 模拟叶片的疲劳强度为 327 MPa，强化后保温叶片的疲劳强度为 313 MPa。由实验结果可知，相比于原始模拟叶片，模拟叶片冲击后疲劳强度提高了 16%，保温后疲劳强度提高了 11%，说明无保护层激光冲击强化可以有效提高 K24 模拟叶片的振动疲劳性能，保温后，模拟叶片的疲劳强度相比于保温前有一定程度的降低，但相对于原始模拟叶片仍有提高。

3.2 残余应力和热松弛

采用爱斯特公司生产的 X-350A 残余应力测试仪对试样的残余应力进行测试。残余应力测试参数设置为：管压 27 kV，管流 7 mA，Cr-Kα辐射，准直管 1 mm，晶面为{220}衍射面，2θ扫描范围 135°~121°，扫描步距 0.1°，时间常数 0.5 s，ψ角 0°、24.2°、35.3°、45°，应力常数-601 MPa/(°)。测量试样深度方向上的残余应力时，采用电解抛光的方法对试样进行逐层减薄，在每个深度上测量 2~3 个点，取平均值作为该深度上的残余应力值。图 7(a)为功率密度为 4.97 GW/cm2 时不同冲击次数试样截面的残余应力分布，由图可知，冲击 1、3、5 次后，试样表面的残余应力分别为-428、-595、-675 MPa，说明 LSPwC 在模拟叶片表面诱导产生了一定数值的残余压应力，且残余压应力的大小随着冲击次数的增加而增加，但增加幅度在减小，这是因为随着冲击次数的增加，冲击区域的塑性变形趋于饱和。涡轮叶片在高温下服役，且残余压应力在高温下会发生松弛，因此对模拟叶片进行 800 ℃/2 h 保温，每隔一段时间测定表面残余应力。图 7(b)为 800 ℃条件下模拟叶片表面残余应力随时间变化曲线，由图可知，高温下，LSPwC 产生的残余压应力大部分得到释放，3 次激光冲击诱导试样表层产生的残余压应力随着保温时间的增长而减小，保温 120 min 后残余压应力从-595 MPa 减小到-232 MPa，释放了 61%。起初的 60 min 内残余应力释放很快，释放了 295 MPa，49.5%的残余压应力得到了释放。60 min 以后，释放速率逐渐降低，最终趋于稳定。图 7 (a) LSPwC 模拟叶片截面的残余应力分布; (b) 800 ℃条件下模拟叶片表面残余应力随时间变化曲线 Fig.7 (a) Residual stress distributions of simulated blade′s cross section after LSPwC; (b) curve of residual stress on the surface of simulated blade varying with time under 800 ℃ heat preservation LSPwC 在材料表面诱导产生的残余压应力除了能够降低试件在工作状态下的疲劳拉应力以外，对裂纹萌生和扩展也有作用。已有研究表明[18] ，裂纹萌生与扩展的滞止应力与残余压应力成正比，残余压应力越大，越能有效抑制裂纹的萌生与扩展，从而提高模拟叶片的疲劳寿命。虽然残余压应力在高温环境下松弛后仍有一定数值的残留，但数值相对较小，对疲劳寿命的提高作用较小。为了进一步研究模拟叶片保温后疲劳强度提高机理，对试样表层微观组织进行观察，从微观组织角度分析疲劳强度改善机理。

 3.3 微观组织图

 8 为不同工艺处理试样表层微观组织的透射电镜(TEM)图。由图 8(b)可以看出，LSPwC 在试样表层诱导产生高密度位错，这是由于冲击波在镍基合金材料内部传播过程中，在靶材内部冲击波发生反射和折射，从而形成复杂的波系。当反射、折射的应力波压力大于材料的动态屈服强度时，引起材料内部位错的增殖 4 中 国 激 光 1003002- 运动，由于各波系冲击波方向不同，使得位错运动方向不一致，而在某些局部缺陷处，位错密度局部升高，发生位错缠结[19] 。如图 8(c)所示，冲击试样保温后位错密度依然很高。这是由于位错在热作用下发生湮灭，且通过位错的湮灭和重新排列，使晶界内高密度位错趋于规则和有序，保持了较好的热稳定性。图 8 不同工艺处理试样表层的微观组织。(a) 原始叶片; (b) LSPwC 叶片; (c) 冲击后 800 ℃保温叶片 Fig.8 Microstructures of the surface of samples with different processes. (a) Untreated blade; (b) blade with LSPwC; (c) blade with 800℃ heat preservation after LSPwC 为了进一步对微观组织变化情况进行分析，对不同工艺处理试样采用 X 射线衍射(XRD)进行物相分析，其结果如图 9 所示。由图 9(a)可知，与未冲击试样相比，冲击后试样的 XRD 图谱中的谱峰及其位置基本没有变化，说明 LSPwC 不改变试样材料的相组成结构。同时，K24 合金对应的 Bragg 衍射峰峰值下降且发生宽化，同时谱峰向低角移动，说明原子间距发生变化，由 X 射线衍射基本原理可知，原子间距的变化会引起微应力变化[20] ，这与上述残余应力、TEM 测试结果相对应。对功率密度为 4.97 GW/cm2 、冲击 3 次的 K24 模拟叶片试样进行 800 ℃保温 2 h 处理，并与保温前试样进行对比，其结果如图 9(b)所示，保温后的衍射峰位置向高角偏移，这是由于残余应力在 800 ℃高温下发生热松弛、位错等缺陷进行重组和塑性变形发生回复等[16] 。 在 XRD 图谱中可以看出，没有产生新的衍射峰，说明在高温环境下，试样表层组织不会发生相变。图 9 不同工艺处理 K24 试样表面的 XRD 衍射图。(a) LSPwC 前后; (b) 保温前后 Fig.9 XRD patterns of K24 with different processes. (a) With and without LSPwC; (b) before and after heat preservation LSPwC 诱导产生的等离子体冲击波会使金属表层发生剧烈塑性变形，从而产生高密度位错等晶体缺陷，这些缺陷能够阻碍金属晶体中的位错运动，从而提高金属的强度。镍基合金主要通过位错运动来协调塑性变形，位错在滑移面上运动遇到晶界后受阻从而引起塞积。只有当位错塞积群引起的应力集中增加到一定程度时，相邻的晶粒才能被迫发生相应的滑移，引起塑性变形的宏观效果，相应地使高温合金屈服强度增高而引起镍基合金的强化。对于金属晶体来说，因位错造成的强化增量大致同晶体中的位错密度的平方根成正比[21] ，即 Δσd ∝ ρ 1/2 , (1) 式中 Δσd 为强化增量，ρ 为金属中的位错密度。由(1)式可知，位错密度越高，试样的强化增量越大，试样的疲劳强度越高。LSPwC 在 K24 模拟叶片表面诱导产生了高密度位错，所以，LSPwC 处理后，模拟叶片的疲劳寿命得到显著提高。高温环境下，试样表层的位错密度依然很高，这是保温后高周疲劳强度提高的主要原因。

4 结 论

 1) 振动疲劳实验结果表明，LSPwC 后模拟叶片的疲劳强度提高了 16%，保温后疲劳强度提高了 11%，说明 LSPwC 可以提高 K24 模拟叶片的疲劳寿命； 5 中 国 激 光 1003002-

 2) LSPwC 在试样表层诱导产生高密度位错，且形成一定数值的残余压应力，残余应力幅值随着冲击次数的增加而增加。保温后，残余压应力大部分发生热松弛，位错保持较好的稳定性。高密度位错是 K24 模拟叶片保温后疲劳强度提高的主要原因。