激光沖擊處理對GH3039高溫合金磨損性能的影響*

王 亞，周 文，陳 浩，葛茂忠

(1.中國航發常州蘭翔機械有限責任公司，江蘇 常州 213022；2.江蘇理工學院 材料工程學院，江蘇 常州 213001)

0 引言

GH3039作為一種鎳基變形高溫合金，在800 ℃以下時具有一定的高溫強度，組織穩定，同時具有良好的冷成形性和焊接性能，已成為航空發動機燃燒室和加力燃燒室等熱端部件不可替代的關鍵材料[1]。但是GH3039高溫合金受到高溫高壓燃氣沖刷時易磨損,為了提高GH3039高溫合金抗磨損性能，拓寬GH3039高溫合金的應用范圍，必須采用新的表面改性技術代替傳統的機械噴丸技術來提高GH3039高溫合金的機械性能。

作為一種新型的表面強化技術，激光沖擊處理利用高功率、短脈沖的強激光輻照金屬材料表面，誘導形成高壓沖擊波，使材料發生超高應變率的塑性變形，實現材料表層的晶粒細化和形變強化，從而提升材料的耐磨、耐腐蝕以及抗疲勞等性能[2]。目前，眾多學者開展了激光沖擊強化對鋁合金、鎂合金、鈦合金、純銅及不銹鋼等金屬材料磨損性能的研究[3-6]，但有關激光沖擊強化GH3039高溫合金磨損性能的研究鮮有報道。因此，本文以GH3039高溫合金為對象，研究激光沖擊處理對GH3039高溫合金磨損性能的影響，并探究其磨損機理，為某型渦軸航空發動機結構件的激光沖擊強化技術應用提供理論依據。

1 實驗過程

1.1 試樣制備

實驗材料由中國航發常州蘭翔機械有限責任公司提供，為符合軍標的冷軋GH3039高溫合金板，板厚為2 mm，其化學成分如表1所示,強度極限和延伸率分別為735 MPa和40%。激光沖擊試樣制備過程如下：采用線切割機床將GH3039冷軋板加工成尺寸為60 mm×60 mm×2 mm的待沖擊試樣，試樣表面先用金相砂紙打磨，再用丙酮脫脂，接著用電吹風吹干。磨損試樣制作過程如下：采用線切割機床在激光沖擊區域加工出10 mm×10 mm×2 mm的磨損試樣，接著用丙酮清洗，然后風干。

表1 GH3039化學成分(質量分數) %

1.2 激光沖擊處理實驗

激光沖擊處理采用美國LSPT公司研制的Procudo200型強激光沖擊裝置。激光加工工藝參數如表2所示。分別選用2 mm厚流動的自來水作為約束層和0.1 mm厚的黑膠帶作為吸收層。激光沖擊結束后，去除黑膠帶，并用丙酮清洗激光沖擊表面，再用冷風吹干。

表2 激光加工工藝參數

1.3 干摩擦實驗

在大氣環境和室溫條件下，采用UMT-2高溫摩擦磨損實驗機(美國CETR公司)對母材和激光沖擊試樣進行直線往復式干摩擦實驗，對磨偶件采用硬度為770 HV、直徑為3 mm的440 C不銹鋼球。實驗載荷為5 N，沖程為10 mm，轉速為120 r/min，磨損時間分別取15 min、20 min、25 min、30 min。

1.4 實驗儀器

采用德國蔡司公司研制的ZEISS Primotech光學顯微鏡觀測激光沖擊處理前后GH3039高溫合金的微觀結構。采用美國NANOVEA公司研制的PS50型非接觸式三維輪廓儀測量激光沖擊前后試樣的表面形貌。利用SIGMA500型高分辨率場發射掃描電鏡觀察試樣磨痕形貌，配合使用EDS能譜儀分析其磨屑成分。采用HXD-1000TMSC/LCD型顯微硬度儀來測量試樣沿截面方向的顯微硬度，載荷大小為100 g，保壓時間為10 s，靠近激光沖擊表面區域顯微硬度測量間隔為50 μm，遠離激光沖擊表面區域顯微硬度測量間隔為100 μm，同一深度截面測量三個不同位置點，取其平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 微觀結構

圖1為GH3039高溫合金激光沖擊前后微觀結構。圖1(a)表明：激光沖擊之前，GH3039高溫合金平均晶粒大小為46.32 μm。圖1(b)表明：激光沖擊之后，GH3039高溫合金平均晶粒大小為21.67 μm。這說明激光沖擊誘導產生的高壓沖擊波作用在靶材表面，使靶材發生劇烈塑性變形的同時，實現了表層材料的晶粒細化。當高能激光束輻照材料表面，吸收層吸取激光能量并氣化為高壓等離子體，其在約束層作用下形成高壓沖擊波并向材料內部傳播。當沖擊波的峰值應力大于材料的動態屈服極限，導致材料產生超應變率的塑性變形，位錯滑移被全面激活，晶粒內部出現大量位錯纏結、位錯胞和位錯網等結構，位錯纏結通過不斷吸收位錯，逐步轉化為亞晶界和晶界，使材料的晶粒得到細化[7-9]。

圖1 GH3039高溫合金激光沖擊前后微觀結構

2.2 顯微硬度

激光沖擊前后，GH3039高溫合金表層顯微硬度分布如圖2所示。由圖2可知：激光沖擊前，GH3039高溫合金表面顯微硬度平均值為250.8 HV；而激光沖擊后，試樣表面顯微硬度平均值為315.5 HV。同未沖擊試樣相比，激光沖擊試樣表面顯微硬度提高了25.8%，且顯微硬度變化層深度達到1.8 mm左右。沿深度方向，沖擊試樣表層顯微硬度不斷減小，這是由于沖擊波的壓力在傳播過程中隨著傳播距離的增加而不斷衰減造成的。當沖擊波的壓力低于材料的動態屈服強度時，材料就不會發生塑性變形，因此，激光誘導的形變硬化層位于材料表層。此外，在距離試樣表面相同深度截面上，激光沖擊試樣的顯微硬度明顯高于未沖擊試樣，這說明激光沖擊提高了GH3039高溫合金表面的顯微硬度。激光沖擊GH3039高溫合金表層顯微硬度的提高主要源于激光沖擊誘導的晶粒細化和形變強化。

圖2 GH3039高溫合金激光沖擊前后顯微硬度沿深度分布

2.3 表面粗糙度

表面粗糙度影響試樣的磨損率，一般而言，試樣表面粗糙度值越大，材料的磨損率越高。激光沖擊前后，GH3039高溫合金試樣表面平均粗糙度值分別為Ra0.037 μm 和Ra0.047 8 μm，這說明激光沖擊后GH3039高溫合金表面粗糙度值略有增大。由于激光沖擊試樣表面粗糙度值增加幅度較小，因此，激光沖擊誘導的粗糙度值增加對試樣磨損率的影響可以忽略。

2.4 磨損性能

圖3為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣的磨痕微觀形貌，其中圖3(b)、(d)分別為圖3(a)、(c)的局部放大圖。由圖3(a)可知，未沖擊試樣的表面磨損嚴重，試樣表面出現較深且寬的犁溝，表面存在尺寸較小的凹坑，其原因主要是在摩擦過程中摩擦副的微觀局部接觸面在法向載荷作用下發生冷焊而形成粘著點，隨后在摩擦過程中粘著點受循環剪切應力作用被撕裂、剝離，試樣表層的材料被剪切脫落，試樣表面形成微小的凹坑。微觀局部接觸面的脫落材料形成磨屑，在摩擦過程中充當磨粒，進一步犁削基體材料，加劇金屬材料的磨損。由圖3(a)、(c)可知，未沖擊試樣表面磨痕的平均寬度為1 146.63 μm，激光沖擊試樣磨痕平均寬度為1 012.19 μm。對比未沖擊試樣，激光沖擊試樣的磨痕寬度明顯減小，磨痕表面的犁溝較淺且寬度較窄，剝落坑較少，究其原因是激光沖擊誘導的形變強化提高了試樣表面的顯微硬度，材料的抗塑性變形能力得到增強。

圖3(b)為未沖擊試樣的微觀磨痕局部圖，從圖中可以看出，磨損表面存在寬而深的犁溝和較大的顆粒狀的金屬磨屑，該現象是典型的磨粒磨損，其產生的主要原因是摩擦過程中摩擦副接觸面之間的微觀剪切和犁削造成的。觀察圖3(d)可知，激光沖擊試樣的磨痕底部相對平滑，犁溝深度較淺且寬度較小，金屬磨屑碎裂程度更明顯，尺寸更小。結合圖3(a)、(c)可知，GH3039高溫合金試樣的滑動干摩擦磨損過程主要是磨粒磨損。

圖4為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣磨痕表面的能譜分析圖(EDS)。其中，圖4(a)為GH3039高溫合金基材的能譜，圖4(b)和圖4(c)分別為激光處理前后金屬磨屑的能譜。相比于基材(圖4(a))的能譜，GH3039高溫合金試樣的磨痕表面的磨屑中均出現氧元素的衍射峰，且試樣經激光沖擊后，氧元素的衍射峰強度逐漸降低。這表明在干摩擦磨損過程中所有試樣均發生表面氧化磨損，且經激光沖擊后試樣的氧化磨損程度有所降低。

綜上所述，GH3039高溫合金試樣在滑動干摩擦過程中發生了磨粒磨損和氧化磨損，主要磨損形式為磨粒磨損。結合圖3和圖4分析可知，激光沖擊強化能顯著提高GH3039高溫合金的耐磨損性能。

圖3 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣的磨痕微觀形貌

圖4 激光沖擊前后GH3039高溫合金的微觀碎片的EDS分析

圖5為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣磨痕的三維形貌圖。利用三維光學輪廓儀分析軟件測算磨痕的深度和截面積。未沖擊試樣的平均磨痕深度和磨損截面積分別為1.43 μm和767 μm2；激光沖擊試樣的平均磨痕深度和磨損截面積分別為1.02 μm和412 μm2?？梢钥闯?，激光沖擊試樣的磨痕深度和磨損截面積明顯小于未沖擊試樣。

圖5 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣磨痕的三維形貌

圖6為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金的磨損率。通過計算激光沖擊處理前后試樣的磨損率并分析其變化情況，以此定量分析激光沖擊處理對GH3039高溫合金試樣耐磨損性能的影響。通過下列公式計算磨損率：

(1)

其中：Wr為磨損率，mm3/(s·N)；A為磨損截面積，mm2；L為摩擦行程長度，mm；t為摩擦時間，s；P為施加載荷，N。由前文可知兩種試樣的磨損截面積，摩擦行程長度為10 mm，摩擦時間為1 800 s，施加載荷為5 N。由式(1)可計算得到試樣磨損率。由圖6可知：未沖擊試樣的平均磨損率為0.852×10-6mm3/(s·N)，而激光沖擊試樣的平均磨損率為0.457×10-6mm3/(s·N)。同激光未沖擊試樣相比，激光沖擊試樣的平均磨損率下降了46.4%。由此可知，激光沖擊強化明顯降低了GH3039高溫合金試樣的磨損率，材料的耐磨性能得到提高。

圖6 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣的磨損率

圖7為激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣磨損量隨時間的變化曲線。由圖7可知：未沖擊試樣與激光沖擊試樣的磨損量變化均表現出相似的趨勢；0～20 min為磨損前期，試樣的磨損量隨摩擦時間增加而迅速增大，該階段為磨損的磨合階段，但未沖擊試樣磨損量增長速度明顯高于沖擊試樣；20 min之后，進入穩定磨損階段，與磨合階段相比，試樣的磨損量隨著摩擦過程延長而持續緩慢增加。從磨損量曲線整體來看，在相同的摩擦時間內，激光沖擊試樣的磨損量明顯低于未沖擊試樣，表明激光沖擊處理有效提升了GH3039高溫合金的耐磨損性能。

圖7 激光沖擊前后GH3039高溫合金試樣的磨損量隨時間的變化曲線

2.5 激光沖擊抗磨損機理分析

當激光誘導產生的峰值壓力達到數GPa的沖擊壓力波作用在材料表面，其對材料將產生以下兩方面的作用：

(1)材料表層將發生劇烈的塑性變形?，F有的研究表明：激光沖擊處理誘導的應變率高達107s-1，而傳統的表面改性技術如機械表面研磨，其應變率只能達到102s-1～103s-1。劇烈的塑性變形有助于提高材料表層的強度和硬度。

(2)在超高壓力沖擊波作用下，位錯滑移將被有效地激活，從而實現表層材料晶粒細化，晶粒細化有助于顯著提高材料表層硬度。對于磨粒磨損而言，硬度提高能夠顯著改善金屬材料的抗磨損能力。

3 結論

通過對激光沖擊處理前后GH3039高溫合金微觀結構、顯微硬度、表面粗糙度及磨痕的觀測，得出以下結論：

(1)激光沖擊處理前后GH3039高溫合金試樣的磨損機理以磨粒磨損為主，同時伴有氧化磨損。

(2)激光沖擊強化提升了GH3039高溫合金的耐磨損性能。同未沖擊試樣相比，激光沖擊試樣的平均磨損率下降了46.4%。在相同的摩擦時間內，激光沖擊試樣的磨損量明顯低于未沖擊試樣。

(3)激光沖擊強化引起的晶粒細化和形變強化是GH3039高溫合金耐磨損性能提升的主要原因。