百皮秒激光冲击强化45钢工艺研究与表面性能评估.pdf

第卷增刊原子能科学技术 ，年月 百皮秒激光冲击强化钢工艺研究与表面性能评估许昌，杨龙刚，李坦，陈柏众，牟学峰，张凤春，韩岳恒（同方中科超光科技有限公司，北京 ；中国科学院 理化技术研究所，北京 ）摘要：为提高工程用 钢性能，采用百皮秒激光冲击强化技术对 钢样件进行表面改性处理，优化实验工艺，探究激光冲击强化对样件形貌和性能影响。通过对比实验明确激光能量、光斑搭接率和冲击次数等工艺参数对材料表层微观特征和力学性能的规律性影响并得到最佳实验参数。采用数码显微镜、轮廓测量仪、粗糙度测试仪和硬度测试仪等对激光冲击后材料表面形貌、显微组织、粗糙度和硬度性能进行测试评估并分析内部机理。研究结果表明：明显提高材料的硬度和粗糙度等参数指标，在最佳工艺参数（激光能量 、光斑搭接率 和冲击次数遍次）下，样件表面硬度高提约，硬度深层厚度达到。激光冲击强化实验取得明显效果，对 钢材料及其他金属材料的表面改性具有借鉴意义。关键词：激光冲击强化；钢；微观组织形貌；力学性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；修回日期：基金项目：中核集团“青年英才”项目；北京市科技重大专项（）通信作者：许昌：，（，；，）：，（，），），），），），：；随着我国核工业的快速发展，将有大量的核工业设备投入使用和运营。然而，部分核设施长期处于水下极端环境，容易在产生液体介质环境中产生腐蚀裂纹、疲劳裂纹等，甚至导致停堆。因此，核设施在使用过程中，需要对其进行定期维护。此外，对于新建核设施，若在建设初期采用表面处理技术，对核设施基材进行处理，增强材料抗应力腐蚀性能，将大大降低对核设施的运行和维护成本。激光冲击强化（）是一种新型材料表面改性技术，该技术的基本原理为：短脉冲、高峰值功率密度的激光透过透明约束层（一般为流水、有机玻璃等）作用于工件表面，涂覆在工件表面的吸收涂层吸收激光能量并发生爆炸性汽化，形成等离子团进一增刊许昌等：百皮秒激光冲击强化 钢工艺研究与表面性能评估步吸收激光能量，产生温度高于、压强大于 的等离子体。该等离子体在约束层的限制作用下，形成 级瞬时高压等离子体冲击波，并传播到工件材料的内部。由于冲击波峰值应力极高，远超材料的屈服极限，材料表层发生塑性变形，引起晶格畸变、位错、晶粒细化等微观织构变化，产生了平行于材料表面的拉应力。根据力学效应的反作用原理可知，在等离子体冲击波作用结束后，材料表面将形成一定深度的残余压应力层，从而实现对零件的表面强化，大幅提高金属材料的耐磨损、抗应力腐蚀和抗疲劳等性能。另外，技术强化效果显著具有非接触、无热影响区、可控性强众多突出优点，与传统技术相比强化效果更佳、可控性更强、适用性更好，对提高结构可靠性和部件疲劳强度、延长材料使用寿命具有重要意义。近年来，随着高端设备对其零件表面性能要求越来越高，技术受到了广泛重视，已经被广泛应用于各种金属材料结构表面改性。钢具有良好的韧性、塑性以及较高的强度，目前已成为制造轴类零件、传动类零件（如齿轮等）的首选材料之一。复杂多样的杆类、轴类、螺栓零件等加工工艺，如车削、热锻、冷镦、热处理等，对圆钢的表面质量及力学性能要求均较高，尤其部分轴类零件要求高硬度及强度。本文为提高 钢的力学性能进而提升材料的经济价值，采用 技术，对 钢进行表面改性实验。通过开展一系列力学、显微硬度与粗糙度测试确定最佳 钢激光强化冲击工艺参数，并根据实验结果分析 改进 钢形貌组织和性能的深层原因。实验 样件准备和实验前处理本文选用同批次 钢板作为实验材料。样件平面平行于钢板轧制面取材，由整块钢板上取下的大料要在刨床上刨去四周的热影响区 。经刨、铣、钻、磨个工序，加工到规定的光洁度 ，样件尺寸为 。钢化学成分列于表，其密度为 ，硬度 ，屈服强度 ，抗 拉 强 度 ，伸 长 率，断面收缩率，弹性模量 ，泊松比 。钢显 微形貌如图所示，图、分别为 钢上边缘、芯部以及下边缘处显微形貌。实验用 钢轧制后经退火处理，并经过硝酸酒精侵蚀剂处理。由图可知，基体组织为片状、带状珠光体加网状、块状铁素体，构成网络状分布，晶粒度约为级，个别晶粒约为级，晶粒大小极不均匀，细晶粒聚集分布。晶粒尺寸及内部应力分布会影响材料的力学性能，其组织和相关性能可通过激光冲击实验得到改善。表钢化学成分 化学成分 上边缘；芯部；下边缘图钢原始样件显微组织 原子能科学技术第 卷图、分别为原始 钢样件和其表面形貌。实验前采用酒精清洗试件保证其表面干燥、无油污，由于实验时采用专用黑色胶带作为吸收保护层，所以实验前将黑色胶带粘贴于样件表面并用按压板粘贴紧实无气泡以保证样件表面不被高能激光灼伤并增强试件对激光能量的吸收，本实验黑胶带厚度为 ；采用均匀的流水层作为约束层以约束等离子体的膨胀从而提高冲击波的峰值压力并通过对冲击波的反射延长其作用时间，为避免静水受激光作用易飞溅，造成约束层厚度不均匀，甚至导致约束层缺失，本文采用 厚的流水作约束层，水流厚度均匀，利用流水也可以冲洗掉激光与样件相互作用产生的碎屑。图原始 钢样件（）及其表面形貌（）（）（）实验方案设计 实验使用的激光器为同方中科超光科技有限公司自主研制的百皮秒激光器，表为该激光器的性能参数。表激光器的性能参数 参数参数值波长，最大单脉冲能量，脉冲频率，脉宽，焦点尺寸，激光器输出光束的辐照面积有限，需依赖光斑搭接的方式对工件进行大面积覆盖，本实验采用双向搭接的方式。图为冲击区域光斑双向 搭接排布，加工过程中激光束固定，触发频率为 ，夹持样件按单向蛇形路径移动，速度为，冲击区域为 的矩形。本文实验通过控制变量法分别研究了不同光斑搭接率、冲击次数、激光能量的激光冲击实验后样件的性能和微观组织状态，其中激光能量（因素）分别取 、和 ，光斑搭接率（因素）分别取、和，冲击次数（因素）分别取、和遍次，实验参数列于表。图激光扫描方式与光斑搭接示意图 性能测试实验）采用 光学显微镜观察样件的宏观形貌。显微镜放大倍数为 ，表面测试区域约为。）采用日本基恩士公司研发的 的元素判别模块（）、数码显微系统（）和 轮廓测量仪（）分别进行表面元素判定，显微组织观察以及表面粗轮廓测量。激光扫描显微镜集高级光学显微镜、低倍率扫描电镜、粗糙度仪功能于一增刊许昌等：百皮秒激光冲击强化 钢工艺研究与表面性能评估身。在进行表面粗轮廓和表面粗糙度的测量前，依次使用丙酮和乙醇清洗样件表面。表 实验方案 样品激光能量光斑搭接率冲击次数 ）采用 显微硬度计测试样件的显微硬度。硬度测试载荷为 ，保持时间 为，表 面 测 试 区 域 约 为 ，深度测试范围为 。）采用 表面粗糙度仪观察样件的表面粗糙度，表面测试区域约为 。结果与分析具有高能量、高密度特点的脉冲激光光束照射在样件表面，会使样件表面在短时间内迅速受热汽化，同时出现表面金属汽化溢出的迹象。激光作用后，金属表面将形成等离子体，这些等离子体具有高温高压特点，等离子体的热量传递使得周围介质产生不同步膨胀，在水作 用 下，产 生 的 冲 击 压 力 波 向 金 属 内 传播。所以热作用和塑性变形力作用会改变样件表面状态，主要表现为材料表面粗糙度、表面硬度和近表层微观晶粒等的改变。由于冲击波会在向金属内部传播时，能量呈指数衰减，使得产生残余应力并使得样件深度硬化。总之，一般会产生残余压应力，使样件晶粒细化形成高密度织构进而改变样件表面形貌，提高工件近表层力学性能。明确 实验条件下样件的塑性变形情况，需计算材料发生永久塑性变形的最低阈值，只有激光造成等离子体冲击波峰值超过压力阈值时，才能发生塑性变形，对材料表面产生强化。雨贡纽弹性极限（）表示材料可承受的最大弹性形变，计算公式为：（）式中：为泊松比，钢泊松比为 ；为材料的 ；为材料的动态屈服强度，钢动态屈服强度约为 。初步计算得到实验用 钢的 为 。采用一维加载条件下激光冲击波模型对约束条件下激光冲击波理论峰值压力进行理论计算：槡槡 槡（）式中：为计算冲击波压力，；为等离子体热能占 内 能比例，一 般 取 ，这 里 取 ；为约束层和冲击靶材的折合声阻抗，这里取 （）；为激光脉冲能量；为脉宽；为光斑直径。压力模型计算过程中假设：激光能量均匀分布，在光斑范围内材料表面均匀受热；约束层和材料围为各向同性的均匀物质；等离子体只在轴向出现冲击波传播。计算表明，在实验能量作用时，理论的最大冲击压力均达到甚至超过了 钢的 ，计算值为 ，可以产生永久塑性变形和残余压应力进而提升样件的硬度。材料表面形貌）表面宏观形貌图 分别为 、和 组 后样件的表面宏观形貌，对表面宏观形貌的观察可以更好地研究零件的近表层微观组织和表面性能。从图 可明显看出，未冲击工件表面呈现出平滑的表面，含有明显的打磨痕迹。激光冲击后，工件表面划痕消失，出现了规律性微观形貌（图）。能量冲击时，工件表面有规律性微观形貌产生，激光烧蚀现象不明显。当激光能量提高到 后，工件表面出现微观宏坑。对比图、可知，组冲击样件表面的宏观凹坑更加明显，即高能量激原子能科学技术第 卷光光束冲击强化效果更加明显，这源于高能激光产生更多，存留时间更长的等离子体。光斑搭接率对样件表面形貌也有影响，等和 等分别通过实验及数值仿真和实验分析相结合的方法证明了搭接率对 效果的影响。图 和图 对比可以表明，组冲 击 样 件 表 面 的 宏 观 凹 坑 较 明 显。对 比图、可知，组冲击样件表面的宏观凹坑稍加明显。宏观凹坑大小与光斑相关，宏观凹坑深度受工艺参数的影响，高光斑搭接率、高激光能量以及多遍次冲击后，样件表面宏观形貌改变更加明显，材料表面的塑性变形也逐渐加剧。）表面化学元素与原始样件相比较，冲击强化后样件表面宏观形貌整体颜色变深，为确定样件表面元素组成对其进行元素判定，图为 钢表面高倍图及化学元素（组冲击样件），样件表面主要包括两部分即黑色部分与亮黄色部分，图、分别表示两个区域的元素判定结果，其中黑色区域元 素 包 括 碳、氢 和 铁，碳 元 素 含 量 超 过，氢和铁含量分别为 和 ，如图 所示。图 中亮黄色区域元素主要为铁。本文认为亮黄色部分为样件基体，黑色部分为吸收层组织即黑色胶带。）表面显微组织图 分别为 、和 组 样件显微组织。红色选区为铁素体组织，未选中背景区域则为珠光体，图 选中区域占比分别为 、和 ，对应晶格个数分图钢表面宏观形貌 图钢表面化学元素 增刊许昌等：百皮秒激光冲击强化 钢工艺研究与表面性能评估图钢的显微组织 别为 、和 个。结果表明，显微结构的变化主要体现在：之后铁素体呈带状排布，排列更加规律和密集，铁素体含量提高晶格尺寸相对减小。铁素体强度和硬度都很低，而珠光体其强度、硬度比铁素体显著增高，材料的微观组织影响材料的性能，对材料宏观性能的改善通常都是与微观结构的变化密不可分。由图可知，随着激光能量、光斑搭接率和冲击次数的增加样件中铁素体有晶粒细化的趋势。微观结构的变化主要源于激光冲击引起材料冲击区域内位错结构的产生和原始粗大晶粒的细化以及位错的重新排列。材料被冲击区域发生的位错运动会形成表层内原始粗大晶粒内部位错墙。这些位错把原始较为粗大的晶粒分割细化成更小尺寸的位错结构。当内部塑性变形发生到达到一定程度时，新形成的位错结构重新排列、整合，材料内部的初始较大的晶粒被分割，形成稳定的细化晶粒。材料机械性能测试）表面粗糙度及三维形貌图 分别为、组冲击后样件的表面粗糙度测量值，分别表明了激光能量、光斑搭接率和冲击次数对样件表面粗糙度的影响。图 中 、和 组 后样件表面平均粗糙度为 、和 ；图 中、和 组 后样件表面平均粗糙度为 、和 ；图 中、和 组 后样件表面平均粗糙度为 、和 。结果表明，随着激光能量的增加粗糙度增加。这是由于高能量激光可以使得等离子体存在的时间更长，造成更深的小坑，提高了表面粗糙度；随着光斑搭接率的增加粗糙度增加。光斑搭接率的增加意味着冲击单位面积次数的增加，对样件表面粗糙度影响降低。激光冲击单位面积次数增加后，导致凹坑分布更加密集，凹坑边缘部分经过多次冲击叠加作用塑性变形程度增加，且样件表面粗糙度增加最明显。图 分别为（激光能量 ，搭接率，冲击遍次）、（激光能量 ，搭接率，冲击遍次