激光沖擊Ti6A14V鈦合金的強化機制及其抗空泡腐蝕性能研究.pdf

1、鈦合金具有密度小,比強度、比斷裂韌性和疲勞強度高,抗裂紋擴展能力好,低溫韌性良好,抗蝕性能優(yōu)異等特點。自五十年代以來已經(jīng)發(fā)展為主要的航空航天及船舶海洋結(jié)構(gòu)材料,用來制造高性能航空發(fā)動機風扇、壓氣機輪盤、渦輪葉片等重要構(gòu)件。但是鈦及鈦合金表面硬度低,應用于潛艇等艦船上的泵、閥以及管系等時,在使用過程中由于海水屬于多元流體,其上的鈦合金零部件的沖蝕磨損較為嚴重,這些都限制了其應用范圍。因此,在保持金屬整體性能的前提下,通過表面處理改變表面成

2、分或組織,賦予金屬表面高硬度、耐磨損、耐腐蝕等性能的表面工程是解決上述問題的有效途徑。
　　 激光沖擊技術(shù)是70年代初發(fā)展起來的一種表面改性技術(shù)。利用高峰值功率密度(大于10W/cm)激光束沖擊工件表面,借助于高壓力峰值的應力波(最大可達10GPa左右)使金屬產(chǎn)生彈塑性變形和微觀特性的改變,提高表面強度和產(chǎn)生有利的殘余壓應力。為了深入了解激光沖擊對材料微觀組織和性能的影響,利用輸出波長1064nm、脈沖寬度10ns、最大輸出能量

3、12.2J、光斑直徑3mm的調(diào)Q釹玻璃激光,探索了不同原始組織Ti6A14V鈦合金在激光沖擊強化下的微結(jié)構(gòu)演變,通過力學性能和殘余應力測試,分析了其微結(jié)構(gòu)演變特征和強化機理。
　　 試驗結(jié)果表明:Ti6A14V鈦合金在激光沖擊作用下,隨著激光能量的增大,位錯數(shù)量不斷增多,位錯形貌開始由平衡態(tài)向復雜網(wǎng)絡(luò)形態(tài)轉(zhuǎn)變,并伴隨位錯塞積。試樣表面強化層觀察到大量位錯蝕坑,也說明了激光沖擊誘發(fā)材料表面的位錯等缺陷。Ti6A14V鈦合金在激光沖

4、擊塑性變形過程中產(chǎn)生的位錯,一方面可產(chǎn)生應變強化,另一方面也可以有效地平衡內(nèi)部應力集中程度,使塑性變形以位錯增殖的方式進行。
　　 表面殘余應力和顯微硬度的測試表明:試驗材料表面在激光沖擊強化作用下可獲得明顯的殘余壓應力,最高可達566Mpa,并且殘余應力的分布由中心向邊緣逐漸減小,與激光沖擊波能量的高斯分布相一致。在獲得有利的殘余壓應力的同時,材料表面硬度也得到了提高,硬化層可達0.9mm。魏氏組織基體Ti6A14V鈦合金經(jīng)激

5、光能量10.6J沖擊后最高硬度值可達431.1HV,隨著激光能量的提高,最高硬度可達533.2HV;同樣在12.2J激光能量沖擊下,雙態(tài)組織基體最高硬度值要低于魏氏組織基體,不過雙態(tài)組織下硬度值也可達501.5HV。硬度分布沿深度方向,強化效應逐步減弱。
　　 此外,在激光沖擊表面強化的基礎(chǔ)上,初探激光沖擊強化對Ti6A14V鈦合金抗空泡腐蝕性能的影響。利用超聲波磁致伸縮空蝕試驗機,在實驗室條件下采用掃描電子顯微鏡(SEM),研

6、究了Ti6A14V鈦合金在蒸餾水介質(zhì)中的空蝕破壞行為,運用激光沖擊強化技術(shù)對Ti6A14V鈦合金表面強化后,研究了激光沖擊改善Ti6A14V鈦合金抗空泡腐蝕性能的機制。
　　 空泡腐蝕試驗表明,激光沖擊強化獲得有利的表面殘余壓應力和高的表面強度,從而提高其耐空蝕性能。對于兩相Ti6A14V鈦合金,α相和β相具有不同的抗空蝕性能,在相同試驗條件下,β相空蝕腐蝕有加劇的傾向,而α相變得更加致密,偶有蝕坑出現(xiàn)。Β相幾乎全部產(chǎn)生塑性變形