【摘 要】
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Ti-22Al-27Nb合金作为Ti2AlNb基合金“第二代”,由于具有低密度、高比强度和良好的抗氧化性而具有作为航空高温结构材料应用的潜力。然而,金属构件在服役过程中发生的疲劳破坏往往是由于其表面存在缺陷。因此,亟需提高其表面相关性能。本文采用激光冲击强化技术对该Ti2AlNb合金表面进行处理,研究激光冲击工艺参数对Ti-22Al-27Nb合金表层组织和性能的影响规律,探索工艺参数对该合金试样表
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Ti-22Al-27Nb合金作为Ti2AlNb基合金“第二代”,由于具有低密度、高比强度和良好的抗氧化性而具有作为航空高温结构材料应用的潜力。然而,金属构件在服役过程中发生的疲劳破坏往往是由于其表面存在缺陷。因此,亟需提高其表面相关性能。本文采用激光冲击强化技术对该Ti2AlNb合金表面进行处理,研究激光冲击工艺参数对Ti-22Al-27Nb合金表层组织和性能的影响规律,探索工艺参数对该合金试样表面的强化机理并得出最优工艺参数。具体研究内容如下所:（1）研究了激光能量、光斑直径、光斑搭接率、激光冲击次数及吸收层种类等工艺参数对Ti-22Al-27Nb合金表层组织、显微硬度、表面形貌以及粗糙度的影响。实验结果表明:激光冲击后Ti-22Al-27Nb合金表层部分B2相转变为O相,且硬度提高。不同工艺参数对O相转变的影响程度为:激光冲击次数>激光能量>吸收层种类>光斑搭接率>光斑直径;随着激光冲击次数的增加,产生的冲击波压力使合金表层O相转变越多,当达到一定的阈值后增值幅度将减少,当冲击三次时与基体相比最大增加了21.63%。不同工艺参数对显微硬度和粗糙度的影响程度与O相转变规律一致,显微硬度的增加主要是由于冲击波引起的残余压应力及其引发O相转变程度,与基体相比显微硬度提升29.38%,达到414HV。不同工艺参数对表面形貌的影响程度为:光斑搭接率>激光冲击次数>激光能量>吸收层种类>光斑直径,影响表面形貌的最大因素为作用于试样表面能量的均匀性,当光斑直径为3mm时试样表面形貌最好,且表面粗糙度变化细微,由冲击波引起的表面凹坑边缘圆滑过渡且试样表面无起皮、塌陷等其他缺陷。（2）探索工艺参数对Ti-22Al-27Nb合金试样表面的强化机理,实验结果表明:激光冲击Ti-22Al-27Nb合金试样表层性能强化机理主要为第二相强化、加工硬化以及塑性变形引起的残余应力共同作用的结果。由TEM组织分析可知,激光冲击处理后的Ti-22Al-27Nb合金试样表层O相含量增多,表层组织内产生大量多系孪晶,多系孪晶间相互切割,形成大量位错,导致位错塞积、位错胞、层错以及位错缠结的形成,位错塞积会导致应力集中,达到临界切应力时会产生形变孪晶,平行的位错线密度达到一定值会聚集成束进而形成位错墙,位错墙在晶界处受到阻碍发生堆积形成亚晶界,诱导新相生成,使得试样最表层显微硬度的提升,从而改善Ti-22Al-27Nb合金试样的使用性能。（3）综合比较不同工艺参数激光冲击对Ti-22Al-27Nb合金表层组织和性能的影响,得到Ti-22Al-27Nb合金最佳激光冲击工艺实验方案为采用0.8mm厚的黑胶带作为吸收层,光斑直径为3mm,搭接率为50%,能量为25J,激光冲击次数为3次;试样近表层区域O相体积分数为71.63%,表面粗糙度为Ra=7.54μm且表面形貌良好,最表层显微硬度为414HV,显微硬度层深为1610μm。
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