Ｋ２４合金是研制的一種新型的鑄造鎳基高溫合金， 應用于新一代戰(zhàn)斗機發(fā)動機噴管等重要的熱端部件。 激光沖擊強化技術(shù)（ＬＳＰ： ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）是利用高功率密度（ＧＷ／ｃｍ２）、 短脈沖（ｎｓ量級）激光束照射金屬時產(chǎn)生高強度沖擊波在金屬材料或零件表層形成數(shù)百個ＭＰａ的殘余壓應力， 從而改善金屬材料性能的一項新技術(shù)， 目前已被廣泛應用于材料表面改性的研究中。 激光淬火是以高能量的激光束快速掃描金屬工件， 使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升高到相變點而低于融化溫度， 當激光束離開被照射部位時， 由于熱傳導的作用， 處于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進行自動淬火， 它可以有效提高金屬材料或零件的表面硬度、耐磨性、 耐蝕性以及強度和耐高溫特性。
基于強化目的， 本文利用激光淬火與激光沖擊強化技術(shù)對Ｋ２４超合金表面進行了復合處理，并用Ｘ－３５０ Ａ型Ｘ射線應力儀測定了激光沖擊處理熔敷區(qū)后的殘余應力， 同時分析了激光沖擊前后熔敷區(qū)在５００℃回火處理８、 １６ ｈ工藝后的殘余應力變化規(guī)律， 研究了殘余應力對Ｋ２４超合金疲勞壽命的影響，給以后的研究工作提供了試驗和理論依據(jù)。
試樣材料
試樣材料為Ｋ２４超合金， 其主要成分的質(zhì)量分數(shù)如表１所示。 另外， 該合金中還有大量的金屬間化合物與碳化物（如ＴｉＣ）作為強化相， 還有氮化夾雜物存在。 由于這些特殊的金相結(jié)構(gòu)，Ｋ２４具有非常優(yōu)異的高溫綜合性能， Ｋ２４的力學性能如下： 抗拉強度ｏｒ≥８３０ ＭＰａ； 伸長率艿≥５％； 斷面收縮率９≥７％； 硬度ＨＲＣ為４８～５５；９７５℃ 、 １９６ ＭＰａ持久時間￡ ≥４０ ｈ。 試樣尺寸為３０ ｍｍ× ２０ ｍｍＸ２ ｍｍ。 激光沖擊時采用Ｋ９光學玻璃為約束層， 用８６－１型黑色涂料作為激光能量吸收層。
試驗裝置及參數(shù)選擇
使用強激光實驗室的快速軸流Ｃ０２多功能激光器對Ｋ２４超合金試樣進行激光淬火，激光淬火的參數(shù)均為： 功率１０００ Ｗ， 掃描速度６ｍｍ／ｓ， 光斑尺寸拳３ ｍｍ。 激光沖擊強化處理試驗在該實驗室的重復率釹玻璃高功率激光沖擊強化裝置上進行， 其工藝參數(shù)如表２所示。
驗證方法
用快速軸流ＣＯ： 多功能激光器對Ｋ２４超合金進行激光淬火處理， 然后對淬火區(qū)域進行激光沖擊強化處理， 并用Ｘ－３５０ Ａ型Ｘ射線應力儀沿ｚ方向（水平方向）測量了１４個點， 兩點之間間隔為0.4ｍｍ（女ＩＩ圖１所示）， 測定了激光沖擊處理熔敷區(qū)后的殘余應力， 同時也測定了激光沖擊前后熔敷區(qū)在５００℃回火處理８、 １６ｈ工藝后的殘余應力變化。
余應力測試結(jié)果
利用Ｘ３５０Ａ型Ｘ射線應力儀對試樣進行了Ｘ射線衍射分析， 其Ｘ射線發(fā)射管管電壓２２ ｋＶ，管電流６ ｍＡ， 鉻靶Ｋ特征輻射， 準直管直徑， １２ｍｍ， ２０掃描步進角０． １。 ， 時間常數(shù)１ Ｓ， 掃描起始角及終止角分別為１２５。 和１３３。 ， 側(cè)傾角緲分別取０。 、 ４５。 和９０。 。 對于鉻靶Ｋ。 特征輻射， Ｋ２４為（２２２）晶面， Ｘ射線吸收系數(shù)取一2.5× 105ｍ～， 圖２為激光沖擊熔敷區(qū)域某點在側(cè)傾角為0°時的殘余應力測試結(jié)果。
Ｋ２４超合金廣泛用在高溫（600-1200℃）和復雜應力條件下長期工作的關(guān)鍵部件。 測試時應考慮沖擊表面在激光光束掃描方向和與之垂直方向上所受到基材約束狀態(tài)的不同。 在測量試樣表面殘余應力時分別測出側(cè)傾角為0.，45 和90。 三
多個方向的應力值， 由應力合成公式可以計算出主應力
圖３為Ｋ２４激光淬火與激光沖擊處理及回火處理后的殘余應力分布。 由于Ｘ射線對金屬的穿透深度大約為２０ ｐ． ｍ， 所以試驗中測出的應力值是在２０肛ｍ層內(nèi)的平均應力值。 從試驗結(jié)果（見圖３（ａ））可知， Ｋ２４經(jīng)激光淬火后， 在沖擊區(qū)域、 影響區(qū)域、 未沖擊區(qū)域的殘余應力以及經(jīng)激光沖擊處理、 經(jīng)激光沖擊回火處理后的殘余應力如表３所示。
由圖３（ｂ）可知， Ｋ２４經(jīng)激光淬火后， 在沖擊區(qū)域、 影響區(qū)域、 未沖擊區(qū)域的殘余應力以及經(jīng)高溫回火處理、 經(jīng)激光沖擊回火處理后的殘余應力如表４所示。
試驗結(jié)果分析與討論
表面殘余應力狀態(tài)對材料的疲勞抗力有顯著影響。 殘余應力在疲勞載荷中起著平均應力的等效作用， 殘余壓應力相當于負平均應力， 它提高疲勞強度。 殘余拉應力相當于正平均應力， 它降低疲勞強度， 對裂紋長度已經(jīng)超過閾值的已損傷葉片， 可以先采用激光淬火、 激光焊接等修補方式， 然后對修補區(qū)進行激光沖擊處理， 由于沖擊區(qū)材料的反作用， 將在沖擊區(qū)產(chǎn)生殘余壓應力。殘余壓應力可以降低交變載荷中的拉應力水平，使平均應力水平下降， 從而延緩了疲勞裂紋的萌生壽命。 同時由于殘余壓應力的存在， 可引起裂紋的閉合效應， 導致疲勞裂紋擴展的有效驅(qū)動力降低， 因而延長了疲勞裂紋的擴展壽命。
激光淬火后再用激光沖擊的復合處理技術(shù)與單純激光淬火相比有本質(zhì)的不同， 主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
（１）作用機制不同： 激光淬火后再用激光沖擊強化是利用激光沖擊波的力學效應， 在金屬表面形成高幅值殘余壓應力， 從而有效增加疲勞壽命。而激光淬火和焊接是熱效應。
（２）殘余應力性質(zhì)不同： 激光淬火＋激光沖擊強化形成高幅值表面殘余壓應力， 十分有效地延緩了裂紋的擴展速度， 激光沖擊損傷的飛機葉片，材料為Ｔｉ６Ａ１４Ｖ， 葉片進氣邊有寬為０． ２ ｍｍ、 長為０． ９ ｍｍ的裂紋。 由于損傷后葉片的疲勞強度下降了４０％， 所以裂紋的長度隨著循環(huán)的次數(shù)增加呈指數(shù)關(guān)系急劇增長， 很快就斷裂。 但經(jīng)過激光沖擊后， 裂紋長度幾乎不隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加， 從而極大地延長了疲勞壽命。 激光淬火和焊接由于熱效應產(chǎn)生殘余拉應力， 必須有隨后的工序消除殘余拉應力， 否則疲勞壽命會急劇下降， 這增添了工序和成本。
（３）環(huán)保性優(yōu)異： 激光復合處理技術(shù)簡單快捷， 不需要添加任何輔助金屬材料。 即使對易氧化的鈦合金， 激光復合處理技術(shù)也不需要在密封的充滿惰性氣體的環(huán)境中進行， 效率高。 該技術(shù)避免了采用回爐、 冶煉等回收方式時對環(huán)境的二次污染， 其加工是從已成形的金屬零部件開始， 從而大大減少了零部件初始制造過程對環(huán)境的污染和危害。
結(jié) 論
（１）Ｋ２４超合金經(jīng)激光淬火后再用激光沖擊的復合處理后， 可以明顯改善處理區(qū)域的殘余應力， 有利于提高金屬的表面硬度、 抗磨、 抗腐蝕等機械性能。
（２）復合處理對提高Ｋ２４超合金機械性能效果十分明顯， 其表面殘余應力均表現(xiàn)為壓應力， 可以對Ｋ２４超合金直接修復和再制造， 節(jié)約了直接制造的成本并減少了人維護人工費用， 具有巨大、 潛在的經(jīng)濟效益和社會效益。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導讀
關(guān)注我們
