謝小江，周建忠，陳寒松，黃 舒，孟憲凱，戴 磊

激光噴丸A356鋁合金的熱穩(wěn)定性實驗研究

謝小江，周建忠*，陳寒松，黃 舒，孟憲凱，戴 磊

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013）

為了研究激光噴丸技術(shù)對A356鋁合金熱穩(wěn)定性能的影響，采用Nd∶YAG激光器對其進(jìn)行表面激光噴丸處理及將各試樣進(jìn)行220°C退火試驗處理的方法，從微觀組織、顯微硬度及殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行理論分析和實驗驗證，取得了一系列實驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，激光噴丸處理能夠有效提高A356鋁合金的熱穩(wěn)定性能，且在材料表面誘導(dǎo)了較大殘余壓應(yīng)力，顯微硬度和位錯密度得到顯著提高，晶粒明顯細(xì)化；退火后，激光噴丸試樣的表面殘余壓應(yīng)力下降了30.68%，位錯密度從1.63°降到1.51°，顯微硬度下降19.42%，表層晶粒尺寸有所長大，但較基體而言，其晶粒尺寸長大幅度較小。這一結(jié)果對于拓展激光噴丸技術(shù)和A356鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域是有幫助的。

激光技術(shù)；熱穩(wěn)定性；激光噴丸強(qiáng)化；殘余壓應(yīng)力；位錯密度

引 言

A356鑄造鋁合金是鋁合金系中應(yīng)用比較廣泛的鋁合金，在鑄造鋁合金中起著重要作用，它具有輕質(zhì)量、良好的鑄造工藝性能、較高的比強(qiáng)度和較好的機(jī)械性能、良好的耐熱性能及較低的熱膨脹系數(shù)［1-2］，是發(fā)動機(jī)缸蓋常用的制造材料之一，如市場上的HY16V，VM型及FF8V型發(fā)動機(jī)缸蓋都是用A356鋁合金鑄造而成的［3-5］。A356鋁合金在180℃以下工作時，具有良好的熱穩(wěn)定性能，但當(dāng)其工作溫度超過180℃時，性能就會迅速下降，導(dǎo)致其使用壽命下降［6-7］。隨著汽車行業(yè)與發(fā)動機(jī)的不斷發(fā)展，發(fā)動機(jī)的功率密度已經(jīng)由45kW／L～50kW／L上升到60kW／L～75kW／L，加上發(fā)動機(jī)缸蓋的結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜，發(fā)動機(jī)缸蓋的溫度可達(dá)200℃～300℃，在如此嚴(yán)峻的環(huán)境下工作，發(fā)動機(jī)缸蓋很容易發(fā)生熱裂紋、高溫摩擦磨損及高溫變形等失效形式，而這些失效形式都是始于材料表面［8］。因此，對發(fā)動機(jī)缸蓋用A356鋁合金表面進(jìn)行強(qiáng)化就顯得格外重要。除了合理設(shè)計發(fā)動機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)和鑄造工藝外，在其表面引入熱穩(wěn)定性能良好的殘余壓應(yīng)力及顯微硬度，能夠有效地抑制裂紋的產(chǎn)生和降低摩擦磨損，對于提高其疲勞壽命同樣有著重要的意義。激光噴丸強(qiáng)化（laser shock peening，LSP）就是可以達(dá)到提高材料疲勞壽命的先進(jìn)表面處理技術(shù)。

激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)是利用強(qiáng)激光與材料相互作用形成的高壓沖擊波加載與材料表面，在材料表面形成一定深度的加工硬化層，且在材料表面產(chǎn)生了較大的殘余壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的高密度位錯，表面晶粒得到細(xì)化，從而大幅度提高材料的強(qiáng)度、硬度以及疲勞性能［9-11］。激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)改善材料的熱穩(wěn)定性能已經(jīng)得到眾多學(xué)者的關(guān)注。REN［12］等人利用激光沖擊強(qiáng)化6061-T6鋁合金，并在200℃高溫下對其進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明：經(jīng)過激光強(qiáng)化處理后的鋁合金，在200℃高溫下保溫30min，最大殘余壓應(yīng)力釋放了13%左右。ZHANG［13］等人利用激光沖擊強(qiáng)化處理GH2036高溫合金，對其誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力進(jìn)行了高溫釋放研究，結(jié)果表明：激光沖擊強(qiáng)化合金誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力在高溫回火后，雖然有所釋放，但釋放幅度較小，一次高溫回火后，表面殘余壓應(yīng)力仍達(dá)到－170MPa，二次回火后，表面殘余壓應(yīng)力仍達(dá)到－135MPa，其高溫壽命比原件提高了2.36倍。LI［14］等人利用激光沖擊強(qiáng)化處理TC17鈦合金，對其誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力進(jìn)行了熱釋放研究，經(jīng)激光沖擊處理的試樣在280℃和450℃下保溫150min后，殘余壓應(yīng)力釋放分別為11.24%和27.11%，有效地提高了合金的高溫疲勞壽命。NIKITIN［15］等人利用激光沖擊強(qiáng)化和深軋?zhí)幚韸W氏體鋼AISI304，并進(jìn)行高溫疲勞實驗，結(jié)果體現(xiàn)了激光沖擊強(qiáng)化誘導(dǎo)奧氏體鋼AISI304的殘余壓應(yīng)力具有良好的熱穩(wěn)定性。

當(dāng)前，對于A356鋁合金的研究主要集中在室溫力學(xué)性能的研究［16-18］，關(guān)于采用熱處理、微量元素合金化及開發(fā)鋁復(fù)合材料等技術(shù)改善A356鋁合金的高溫性能的報道很少，且這些技術(shù)的工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高及難度大［19］。采用激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)改善A356鋁合金熱穩(wěn)定性能的研究報道還尚未見到。本文中主要針對激光噴丸強(qiáng)化對退火后A356鋁合金的微觀組織、顯微硬度及殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了討論與分析。目的在于研究激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)能否進(jìn)一步提高A356鋁合金的高溫?zé)岱€(wěn)定性能，使其在更高（不小于200°C）的溫度下工作仍具有良好的性能。

1 實驗材料及方法

試驗材料為A356鋁合金，試驗用線切割加工成4mm×70mm×15mm的矩形塊，如圖1a所示。所有試樣在進(jìn)行激光噴丸處理試驗前，都要經(jīng)過打磨、拋光處理。噴丸后試樣形貌圖如圖1b所示。

Fig.1 Samples topography before and after LSP

LSP實驗所用裝置為SpitLight 2000型脈沖Nd∶YAG固體激光器，如圖2所示。能量吸收層為50μm厚的黑膠帶，采用4mm厚的BK7玻璃作為約束層，激光能量為1.8J，光斑直徑為2mm，頻率為5Hz，噴丸區(qū)域為10mm×8mm，搭接率為50%。

Fig.2 SpitLight2000 type Nd∶YAG laser system

激光噴丸處理后，將基體及LSP試樣放入鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行退火處理，退火溫度為220℃，保溫60min，隨爐冷卻至室溫，利用X-350A殘余應(yīng)力測試儀及HXD-1000TM型顯微硬度計分別測試實驗試樣深度方向的殘余應(yīng)力及顯微硬度。測試材料深度方向的殘余應(yīng)力時，在XF-1電解拋光機(jī)采用電解拋光法逐層將表層材料剝離，一般而言，X射線對金屬的穿透深度約為15μm～30μm，因此試驗中測得的應(yīng)力值是材料表層15μm～30μm內(nèi)的平均應(yīng)力值；選取側(cè)傾固定Ψ法測量試樣中的殘余應(yīng)力，交相關(guān)法定峰，鈷靶Kα特征輻射。測試參量為衍射晶面（311），Ψ角分別取0°，24°，35°和45°，2θ掃描起始角及終止角分別為142.5°和135.5°，2θ角掃描步距0.1°，計數(shù)時間1.5s，X光管電流5mA，X光管電壓20kV，準(zhǔn)直管直徑為?1mm。X-350A殘余應(yīng)力測試儀測量允許誤差為±12MPa，對于誤差超過12MPa的殘余應(yīng)力點再進(jìn)行了復(fù)測；采用X射線衍射儀測量試樣深度方向的相對位錯密度半峰全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）；HXD-1000TM型顯微硬度計所加載的載荷為100g，加載時間為10s；壓頭在試樣表面壓出一個四方椎形的壓痕，測量壓痕的對角線長度d以換算出相應(yīng)顯微硬度值，每個試樣檢測3個點，數(shù)據(jù)取3個測量點的平均值；采用LEICA DFC420光學(xué)顯微鏡觀察試樣表面的微觀組織，腐蝕溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1的氫氟酸溶液，腐蝕時間為40s。

2 結(jié)果與分析

2.1殘余應(yīng)力

圖3為退火前后LSP試樣及基體在深度方向上的殘余應(yīng)力分布圖。從圖3中可以看到，激光噴丸后，誘導(dǎo)的最大殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在試樣表面，其峰值為－212.71MPa，LSP誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力影響層深度約為0.38mm，且隨著深度的增加，殘余壓應(yīng)力越來越小，當(dāng)距離表面0.38mm時，應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成殘余拉應(yīng)力；高溫退火后，消除了原始基體內(nèi)大部分的殘余應(yīng)力，LSP誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力有所減小，最大殘余壓應(yīng)力下降為－147.45MPa，下降了30.68%。原因是由于高溫退火后，材料發(fā)生了熱變形，晶粒內(nèi)和晶界上的原子發(fā)生了擴(kuò)散，且噴丸區(qū)域內(nèi)的位錯發(fā)生了滑移，因此，退火后，殘余應(yīng)力有所下降。但是由于LSP產(chǎn)生的位錯結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定［20］，所以，LSP試樣的殘余壓應(yīng)力下降幅度較小。激光噴丸誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力熱松弛的動力學(xué)過程中可以用Zener-Wert-Avrami公式來解釋。激光噴丸強(qiáng)化處理后，在表面產(chǎn)生的較大幅值殘余壓應(yīng)力可以抑制材料表面的裂紋的萌生和擴(kuò)展［20］；高溫退火后，仍具有較大水平的殘余壓應(yīng)力，可以抑制發(fā)動機(jī)缸蓋表面熱裂紋的萌生，從而提高了材料的熱疲勞壽命［12-15］。

Fig.3 The residual stress in depth direction ofmatrix and LSP sample before and after annealing

2.2顯微硬度

圖4為激光噴丸試樣及高溫退火后試樣深度方向顯微硬度分布圖。A356鋁合金基體的顯微硬度為80.01HV，激光噴丸處理后，試樣的顯微硬度增加到121.44HV，提高了41.43HV，這主要是因為激光噴丸產(chǎn)生了更高的位錯密度（見圖5），使得沖擊區(qū)域的晶粒得到明顯細(xì)化（見圖6b），根據(jù)Hall-Petch公式可知，顯微硬度得到明顯提高；在深度方向上，基體的顯微硬度變化不大，而激光噴丸處理后，試樣的顯微硬度隨著深度的增加而減??；相對于退火前的LSP試樣而言，退火后的LSP試樣的顯微硬度有所下降，最大值為97.86HV，但是，相對于退火前的基體而言，卻提高了22.30%，原因是退火后，噴丸試樣的處理區(qū)域內(nèi)的位錯密度仍然比原始基體高（見圖5），晶粒尺寸仍然比退火前的基體細(xì)（見圖6a和圖6d）。因此，退火后，雖然LSP試樣的顯微硬度有所下降，但是仍然比原始基體高。在距離表面為0.38mm處，顯微硬度值與A356鋁合金基體相差無幾，退火后，在0.25mm處，顯微硬度接近基體，可見，激光噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生了0.38mm處的硬化層，退火后，仍然在材料表層留下了較大加工硬化層，約為0.25mm。較高的顯微硬度能夠有效地降低材料的摩擦磨損，退火后，試樣的顯微硬度值仍保持較高水平，可以有效地降低A356鋁合金在高溫下的摩擦磨損［10］。

Fig.4 Micro-hardness in depth direction of matrix and LSP sample before and after annealing

Fig.5 Dislocation density in depth direction of matrix and LSP sample before and after annealing

Fig.6 Grain size of matrix and LSP samples before and after annealing

2.3微觀組織

圖5為退火前后LSP試樣及基體在深度方向上的相對位錯密度的FWHM。從圖中可以看到，未噴丸的基體，其FWHM約為1.39°，激光噴丸后，F(xiàn)WHM高達(dá)1.63°，這主要是因為高壓沖擊波使得材料發(fā)生了塑性變形，使得位錯增殖造成［20］。退火后，原始基體的FWHM下降得較為明顯，約為1.17°，而LSP試樣則為1.51°，仍然比原始基體的位錯密度高。由于A356鋁合金基體在鑄造過程中，內(nèi)部留下了諸多的氣孔等缺陷，在高溫下，位錯容易滑移，而LSP試樣由于晶粒尺寸細(xì)小（見圖6b和圖6d），從而增加了亞晶界、晶界數(shù)目，起到晶界強(qiáng)化的作用，進(jìn)一步阻礙了位錯的運(yùn)動［20］，其驅(qū)動所需的驅(qū)動力較大，較難滑移。位錯結(jié)構(gòu)在高溫下具有良好的熱穩(wěn)定性，保證了殘余壓應(yīng)力及硬度等各項性能的熱穩(wěn)定性，有利于提高材料的高溫疲勞壽命。

圖6為退火前后LSP試樣及基體的晶粒形貌圖。從圖中可知，未經(jīng)激光噴丸處理的基體試樣的原始組織晶界粗大，晶粒平均尺寸約為120μm，見圖6a；經(jīng)激光噴丸后，晶粒尺寸得到了明顯的細(xì)化，其平均尺寸約為50μm，如圖6b所示。這主要是激光噴丸后，試樣表層發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，使得試樣的位錯密度急劇增加（見圖5），形成了位錯纏結(jié)和位錯墻，這些位錯開始湮滅和重排，形成小角度晶界，進(jìn)而減小了晶粒尺寸［20］。退火后，基體及LSP試樣的晶粒尺寸都有所長大，基體晶粒平均尺寸約為200μm，但是LSP試樣的晶粒長大幅度較小，為80μm左右，見圖6c和圖6d。激光噴丸后試樣表層晶粒細(xì)小，而基體晶粒尺寸粗大，粗大的晶界有利于材料的抗高溫蠕變性能。激光噴丸產(chǎn)生的這種晶粒層次化不但使得材料具有良好的抗拉強(qiáng)度，還能有效提高材料的抗高溫變形能力。

3 結(jié) 論

激光噴丸強(qiáng)化可以有效地提高A356鋁合金在高溫下的熱穩(wěn)定性能。激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)在A356鋁合金表面誘導(dǎo)的殘余壓應(yīng)力和顯微硬度在高溫條件下仍保持較高幅值，高溫退火后，最大殘余壓應(yīng)力仍達(dá)－147.45MPa，顯微硬度達(dá)97.86HV，且激光噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生的加工硬化層深度達(dá)到0.38mm，退火后，其值仍達(dá)0.25mm。位錯密度的增加和晶粒細(xì)化是提高硬度的主要原因，LSP誘導(dǎo)的位錯結(jié)構(gòu)具有良好的熱穩(wěn)定性是導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力松弛幅度較小的主要原因?？梢姡す鈬娡鑿?qiáng)化效果在高溫條件下也是十分明顯的。

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Experimental study on thermal stability of A356 Al alloy treated by laser shock peening

XIE Xiaojiang，ZHOU Jianzhong，CHEN Hansong，HUANG Shu，MENG Xiankai，DAILei
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

In order to study the influence of laser shock peening on the thermal stability property of A356 Al alloy，after laser shock peening A356 Al alloy workpieces with Nd∶YAG laser and annealing them at220°C their microstructure，micro-hardness and residual stress were studied.A series of experimental data were got.The results showed that laser shock peening can effectively improve the thermal stability of A356 Al alloys.The large residual compressive stress was induced by laser shock peening on the surface，micro-hardness and the surface dislocation density was increased significantly；the grain was refined obviously.After annealing，the residual compressive stress was decreased by 30.68%，the dislocation density（full width at half maximum）was decreased from 1.63°to 1.51°，and the micro-hardness was decreased by 19.42%，the grain size on the surface layer was grown up slightly.However，compared to the matrix，the scale was less.The results were helpful to expand application fields of laser shock peening and A356 Al alloy.

laser technique；thermal stability；laser shock peening；residual compressive stress；dislocation density

TG665

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.020

1001-3806（2014）01-0091-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175236）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（CXZZ12_ 0659）；江蘇大學(xué)科研立項資助項目（11A78）

謝小江（1988-），男，碩士，主要研究方向為激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：zhoujz＠ujs.edu.cn

2013-03-15；

2013-04-02