航空發動機葉片由于所處的工作環境惡劣，既受到低頻拉應力作用，又在發動機和氣流的激振下高頻振動，當葉片承受的交變應力幅值達到臨界時容易產生疲勞斷裂，引起裂紋折斷等故障，嚴重影響航空安全性。激光沖擊強化是一種新型金屬表面強化技術，是利用高功率密度激光束照射在金屬零件表面，涂覆在金屬表面的吸收層吸收激光束的能量形成等離子體，等離子體在約束層束縛下野爆炸冶而產生高壓沖擊波作用于材料表面，從而在材料近表層產生殘余壓應力，能有效地改善材料的抗疲勞、耐磨損和防腐蝕等性能[1-6]。相比于傳統的表面強化技術，激光沖擊強化（lasershockpeening，LSP）處理具有非接觸、可控性強、無熱影響區和強化效果顯著等優點，廣泛應用于軍工國防、石油化工、海洋船舶和航空航天等領域。
某型航空發動機葉片材料為TA11鈦合金，名義成分為Ti-8Al-1Mo-1V，本文采用激光沖擊強化技術對葉片進行處理，研究過程中激光沖擊強化對TA11葉片表面應力、顯微硬度、金相組織等性能的影響，為提高葉片的疲勞性能和疲勞壽命提供理論基礎與試驗依據。
1、試驗部分
1.1試驗參數
采用Nd：YAG激光沖擊強化設備對TA11鈦合金葉片進行強化，單脈沖能量最高可達25J，采用雙面對沖時每路能量最大為12.5J，具體參數見表1。
為了防止強化引起的葉片變形，采用雙面對沖的方式進行沖擊強化，如圖1所示。對沖時兩路激光脈沖能量差小于10%，光斑直徑差小于0.1mm，光程差控制在5mm內。由于葉片型面復雜，為達到強化過程定位精度高、光斑搭接均勻、葉片裝夾可重復等要求，采用葉片激光沖擊專用夾具用于固定。
1.2測試方法
表面應力通過Proto-LXRD型X射線應力儀進行測試，測試方法參照ASTME975-84標準；顯微硬度通過顯微硬度儀進行測試，施加載荷4.9N，保持載荷時間為15s；金相組織采用NEOPHOT-21型金相顯微鏡進行采集；超微內部結構采用CM-200型透射電鏡觀察，加速電壓為200kV。由于電化學腐蝕鈦合金將產生腐蝕坑，因此采用普通的化學腐蝕方法，腐蝕液為硝酸和氫氟酸的水溶液。
2、結果與討論
2.1表面應力
通過對葉片表面進、排氣邊和葉根處進行強化殘余應力測試，并與葉身未強化處進行對比，其結果見表2，其中A、B分別表示在進氣邊、排氣邊和葉根處（均為葉盆、葉背兩面）任選兩點。可見，葉片表面應力都表現為壓應力，相比未強化的葉身殘余應力為-178MPa，經強化后各處的殘余應力均值基本在-620MPa以上，效果較好。
繼而針對葉盆進氣邊和葉盆出氣邊的殘余應力隨深度的分布情況進行測試，具體結果見表3。可見，在1mm厚的薄葉片上進行雙面激光沖擊強化，整個厚度區域內均為壓應力，不存在拉應力，且隨著深度的增加殘余應力值逐漸降低。
2.2顯微硬度
在未經激光沖擊強化的葉片表面隨機選取5個點并標記，通過顯微硬度儀測量維氏硬度，經過激光沖擊強化再測這些標記點的維氏硬度，具體結果見表4。可見，葉片在經激光沖擊強化后的表面平均硬度值達到385HV，相比未強化硬度值增加了8.57%，這是由于葉片經強化后可以使表面晶粒細化，克服錯位運動過程中晶界的阻礙變得困難，這有利于提高葉片的表面硬度[7]。
2.3顯微組織
首先將激光沖擊強化前的葉片試件縱向切割得到截面樣品，然后通過鑲嵌、粗磨、細磨和拋光獲得光滑鏡面，再通過腐蝕液腐蝕制成金相試樣，結果見圖2。可見，經強化后的TA11材料的組織結構得到了明顯細化，有利于提高抗疲勞性能。
用電火花線切割機將試件沿沖擊表層切取下大約1mm的薄片并手工剪薄至0.1mm，然后用研磨機沖擊至50滋m。為了觀察材料的近表面組織，將試樣在-20益溫度下用體積分數5%的HClO4酒精溶液電解單噴試樣沖擊背面，在試樣即將擊穿前用離子研磨儀剪薄強化數分鐘，直至試樣擊穿，得到的組織結構見圖3。
圖4是利用透射電鏡觀察到的表層與次表層組織結構，可見激光沖擊強化在TA11材料表層形成了大量納米級晶粒與非晶組織，在次表層產生了形變孿生與高密度位錯，這能有效地提高材料的抗疲 勞性能。
3、結論
通過對TA11材質的航空發動機葉片進行激光沖擊強化的試驗研究，分析激光強化后材料表面的殘余應力分布、顯微組織狀態，得到以下結論：
（1）激光沖擊強化后，在葉片的近表層會殘余-600MPa以上的壓應力，隨著深度的增加殘余應力值逐漸降低，且激光沖擊強化使得葉片的硬度得到顯著改善。
（2）激光沖擊強化使得葉片近表面組織結構發生明顯細化，在材料表層形成了大量納米級晶粒與非晶組織，在次表層產生了形變孿生與高密度位錯，有效提高材料的抗疲勞性能。
參考文獻：
[1]李偉，李應紅，何衛鋒，等. 激光沖擊強化技術的發展和應用[J]. 激光與光電子學進展，2008（12）：15-19.
[2]李偉，李應紅，何衛鋒，等. 激光沖擊強化對鎳基高溫合金疲勞壽命的研究[J]. 新技術新工藝，2008（8）：70-71.
[3]曾鏡靈，余龍溦，林超輝，等. 大型海工繞樁吊機吊臂激光沖擊強化選材研究[J]. 電加工與模具，2022（1）：51-54.
[4]畢鳳琴，張春成，李紅翠，等. 激光沖擊強化技術的發展及應用[J]. 兵器材料科學與工程，2010，33（1）：101-104.
[5]張永康，陳菊芳，許仁軍. AM50 鎂合金激光沖擊強化實驗研究[J]. 中國激光，2008，35（7）：1068-1072.
[6]LAN L，JIN XY，GAO S，et al. Microstructural evolution and stress state related to mechanical properties of electron beam melted Ti-6Al-4V alloy modified by laser shock peening [J]. Journal of Materials Science and Technology，2020，50，15：153-161.[7]叢家慧，徐永臻，王磊，等. 超聲強化對高強鋼疲勞性能的影響[J]. 機械科學與技術，2021，40（3）：470-474.
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