張 超，張 虎，周 云，祝少華，蘆 琳，符利兵，黃曉江

（1.中油國家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018； 2.中國石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；3.中國石油陜西銷售公司，西安 710077）

0 前 言

TC11 是一種馬氏體型α+β 雙相熱強型鈦合金，在高溫下仍可以保持較高的力學(xué)性能，已廣泛用于航空等領(lǐng)域[1-3]，主要用于制造航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片、環(huán)形件、鼓筒和緊固件等關(guān)鍵零部件。在受到熱、力等交變載荷的作用時，關(guān)鍵零部件會發(fā)生磨損、斷裂或疲勞破壞[4-8]。表面強化技術(shù)是通過涂層法、化學(xué)熱處理及機械硬化處理等，優(yōu)化材料表面的組織結(jié)構(gòu)與性能，使表層獲得較大的殘余壓應(yīng)力、硬度和加工硬化層，從而有效提高材料的耐腐蝕性能、疲勞性能及抗摩擦磨損性能，最終顯著提高材料或構(gòu)件使用壽命[9-11]。激光沖擊強化技術(shù)相比其他表面強化技術(shù)，具有無接觸和良好可控性等優(yōu)點，成為材料表面改性領(lǐng)域的研究熱點。目前，國內(nèi)學(xué)者對鈦合金表面激光沖擊強化技術(shù)做了大量研究[12-17]，結(jié)果表明激光沖擊強化后，位錯在沖擊波的作用下發(fā)生了滑移、重排，先后呈現(xiàn)出高密度位錯、亞晶和納米晶的微觀特征，硬度也顯著提高，在表面形成了殘余壓應(yīng)力，但對鈦合金焊接接頭沿層深的殘余應(yīng)力分布研究較少。

本研究選用TC11 鈦合金進(jìn)行焊接，對激光沖擊強化后的焊縫金屬，通過電解拋光的方式獲取不同的層深，采用側(cè)傾法研究激光強化沖擊對TC11鈦合金焊接接頭不同層深殘余應(yīng)力的影響，測試殘余應(yīng)力大小及層深分布梯度，為TC11 鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)力調(diào)控及表面的強化處理提供依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

采用光纖激光將規(guī)格為60 mm×50 mm×5 mm的TC11 鈦合金試樣焊接在一起，焊縫位于試樣中心，隨后采用LAMEBR-08 激光發(fā)生系統(tǒng)對試樣進(jìn)行激光沖擊強化。為避免大功率脈沖燒蝕表面，在焊縫表面覆蓋0.1 mm 的鋁箔作為吸收層，同時采用2 mm 厚去離子流動水為約束層，以便增強激光沖擊的強化效果。激光沖擊試驗參數(shù)見表1。

表1 激光沖擊試驗參數(shù)

1.2 試驗方法

為了獲取良好、無干擾的層深，試驗采用電解電化學(xué)拋光方法，通過陽極溶解逐步使試樣平整，同時沒有外界載荷的干擾，不會引起金屬的表面變形。

使用POLISHER 8818 V-3 電解拋光儀，腐蝕頭的直徑為8 mm，拋光液為900 mL 甲醇+100 mL 高氯酸，采用恒流模式，電壓為40 V。每拋光20 s 測量試樣一次，測量垂直測試位置的表面，對比前后測量差值從而可以確定層深。以焊縫中心表面作為原點（即層深為0 μm），沿厚度的方向分別獲取到-500 μm、-1 000 μm、-1 500 μm 不同層深，每個層深測試3 次殘余應(yīng)力，測試位置如圖1 所示，2#點位于焊縫中心，左、右約2 mm 處分別標(biāo)記為1#點和3#點。

圖1 殘余應(yīng)力測試位置示意圖

側(cè)傾法測量殘余應(yīng)力是一種對測量材料非破壞性的試驗方法，通過測量射線衍射峰的偏移量來計算殘余應(yīng)力。其優(yōu)點是2θ平面與ψ角轉(zhuǎn)動平面垂直，在各個ψ角衍射線經(jīng)過的試樣路程近乎相等，因此不考慮吸收因子對不同ψ角衍射強度的影響；同時ψ角與2θ掃描角互不限制，幾何對稱性好，可有效減小散焦的影響，提高應(yīng)力測量精度[18-19]。因此本研究采用側(cè)傾法逐層測試殘余應(yīng)力，測試方法如圖2所示。

圖2 側(cè)傾法測試示意圖

采用德國布魯克D8 ADVANCE A25 X 射線衍射儀，將TC11 樣品固定在尤拉環(huán)樣品臺上，與轉(zhuǎn)動盤不能有相對位移，靶材為銅靶，使用雙激光定位系統(tǒng)確定樣品的測量位置，選擇Coupled 2θ/θ（耦合）掃描模式，側(cè)傾法測試參數(shù)見表2。

表2 側(cè)傾法應(yīng)力測試參數(shù)

2 試驗結(jié)果

分別取ψ為0°、 18.44°、 26.56°、 33.22°、 39.24°和45.00°，sin2ψ取實測值，殘余應(yīng)力計算公式為

式中：σφ——殘余應(yīng)力，MPa；

E——彈性模量，取E=133 GPa；

υ——泊松比，取υ=0.33；

θ0——無應(yīng)力時的布拉格角，取θ0=71.011°；

ψ——側(cè)傾角，（°）；

K——應(yīng)力常數(shù)，取K=-276.7 MPa/（°）。

殘余應(yīng)力計算結(jié)果見表3。

表3 TC11鈦合金焊縫不同層深處殘余應(yīng)力計算結(jié)果

3 結(jié)果分析

當(dāng)激光沖擊波的壓力峰值超過TC11 鈦合金的動態(tài)屈服強度時，TC11 鈦合金表層發(fā)生強烈塑性變形誘導(dǎo)產(chǎn)生高密度位錯，位錯經(jīng)過進(jìn)一步運動、重排等過程引起晶格畸變，表面嚴(yán)重塑性變形區(qū)域受到周圍未發(fā)生塑性變形區(qū)域的限制作用，在表面形成了具有一定深度的殘余壓應(yīng)力場。由表3 殘余應(yīng)力結(jié)果可知，對TC11鈦合金焊縫金屬經(jīng)過激光沖擊強化處理后，表面殘余應(yīng)力均為負(fù)值，表現(xiàn)為殘余壓應(yīng)力，激光沖擊強化前焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力為-110.2 MPa、-126.5 MPa 和-120.4 MPa，強化后焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力為-532.7 MPa、-525.0 MPa 和-529.7 MPa。激光強化沖擊后TC11 鈦合金焊縫金屬表面殘余壓應(yīng)力提升了近5 倍，層深1 591 μm 處壓應(yīng)力平均值為-175.6 MPa，優(yōu)于激光沖擊強化前焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力平均值（-119.0 MPa），兩者相比較，壓應(yīng)力提升56.6 MPa。試驗結(jié)果表明表面殘余壓應(yīng)力提升效果顯著，層深1 591 μm 處，激光沖擊強化效果良好。

殘余壓應(yīng)力場的出現(xiàn)可平衡構(gòu)件在載荷作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，阻礙裂紋擴展及封閉裂紋，從而延長構(gòu)件的使用壽命。從不同層深殘余應(yīng)力平均值大小可以看出，激光沖擊強化處理后TC11殘余應(yīng)力從表面（最高-529.1 MPa）至層深583 μm處（-328.5 MPa）整體下降較快，層深962～1 591 μm 處，殘余應(yīng)力下降較慢且趨于平緩，隨著層深的逐漸增大，殘余壓應(yīng)力整體呈明顯下降趨勢，且下降速度由快變慢，這與沖擊波向TC11鈦合金內(nèi)部傳遞過程中能量逐漸衰減有關(guān)，距離表層越遠(yuǎn)，變形程度越弱，因此殘余壓應(yīng)力也越來越小。

4 結(jié) 論

（1）激光沖擊強化后TC11 鈦合金焊縫金屬表面壓應(yīng)力平均值為-529.1 MPa，比強化前平均值（-119 MPa）提升了約5倍，表面殘余壓應(yīng)力提升效果顯著。

（2）激光沖擊強化后TC11 鈦合金焊縫層深1 591 μm處壓應(yīng)力平均值為-175.6 MPa，優(yōu)于激光沖擊強化前焊縫表面（0 μm）殘余壓應(yīng)力平均值，平均壓應(yīng)力大小提升了56.6 MPa，強化深度影響超1 591 μm，表明激光沖擊強化效果良好。

（3）激光沖擊強化后，TC11 鈦合金焊縫殘余壓應(yīng)力從表面至層深1 521 μm 處，整體呈明顯的下降趨勢，其中，在層深0～583 μm處殘余應(yīng)力下降速度較快，層深962～1 591 μm 處殘余應(yīng)力下降較慢且趨于平緩。