引言

Ti-6Al-4V（TC4）鈦合金是一種綜合性能優(yōu)異的材料，其密度較小，且具有優(yōu)異的比強度、比剛度，良好的耐腐蝕和耐高溫性能，因此被廣泛應用于航空、航天和航海領域的關鍵結(jié)構零件中，例如，航空發(fā)動機的壓氣機葉片等［1－3］。但是，隨著我國飛機在海上執(zhí)行任務越來越頻繁，受潮濕海洋大氣等因素的影響，機體部件易發(fā)生電化學腐燭。同時，部件表面在運行過程中易受外物損傷，從而導致失效［4－5］。

因此，材料表面硬度與耐腐蝕性能的提高對關鍵部件使用可靠性的提高和使用壽命延長具有重要意義。

激光沖擊強化（LSP）是一種新興的金屬材料表面處理技術，通過高應變率表面沖擊處理來提高金屬材料的表面硬度、耐腐蝕性能和疲勞壽命［6－7］。目前，國內(nèi)外學者在激光沖擊強化提高金屬材料的表面性能和疲勞壽命等方面已有了一些研究。王江濤等［8］發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強化可以使7075鋁合金焊接頭處的晶粒得到高度細化，降低顯微孔洞和氣穴數(shù)量，有效地阻止了溶液中的離子滲入，從而降低了腐蝕速率。Ｙａｎｇ等［9］對沖擊強化后異物損傷TC4的疲勞行為進行了研究。發(fā)現(xiàn)LSP可以通過誘導產(chǎn)生 高殘余壓應力來降低疲勞裂紋的增長速度。Ｔｏｎｇ等［10］的研究結(jié)果顯示，無吸收層激光沖擊強化（LSPｗＣ）可以使ＡＡ5083鋁合金的抗空蝕能力提 高2.13倍。近年來，一些人開始研究對增材制造件進行激光沖擊強化。Ｊｉｎ等［11－12］研究發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強化后，增材制造的TC4試樣表面硬度增加了約11％。Ｙｅｏ等［13］的研究表明，激光沖擊強化可以使TC4鈦合金增材制造件的沖擊韌性提高120％。賴夢琪等［14］則發(fā)現(xiàn)激光沖擊強化可以提高TC4增材

件的致密度。宋亞杰等［15］研究結(jié)果顯示，經(jīng)過3次激光沖擊強化后，激光增材的ＧＨ1131合金薄壁件的表面硬度提高了66.6％。上述研究表明，激光沖擊強化可以有效提高金屬材料的耐腐蝕性能、表面硬度、沖擊韌性等，并降低裂紋的擴展速度。但單獨的激光沖擊強化技術對于材料性能的提升具有一定上限。為了滿足航空航天零件惡劣的工作環(huán)境需求，需要將激光沖擊強化工藝與其他的工藝進行復合，進一步提升對材料的強化效果。Ｊｉａ等［16］研究了激光沖擊強化和熱處理對電子束焊接Ti-6.5A-1Mo-1V-2Zr的微觀硬度、拉伸性能和微觀結(jié)構的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊強化后熱處理的試樣的最大抗拉強度相比單獨熱處理試樣和原始試樣都有所增加。

Ｒｅｎ等［17］研究了激光沖擊強化和熱處理溫度對ＡＺ91Ｄ鎂合金顯微組織的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊強化后適當溫度的熱處理可以使晶粒尺寸進一步減小。其中 當退火溫度為200℃時表面納米晶的尺寸最小，約為50ｎｍ。Ｋａｌｅｎｔｉｃｓ等［18］則將增材制造、激光沖擊強化和熱處理進行了結(jié)合，結(jié)果顯示，增材制造的 ＣＭ247ＬＣ合金試樣進行沖擊強化后再熱處理，其裂紋數(shù)量下降了95％。

已有研究表明，對激光沖擊強化后的試樣進行熱處理可以得到綜合性能較為優(yōu)異的材料，然而此復合工藝對于TC4鈦合金耐腐蝕性能和表面硬度的研究尚未報道，有待研究。因此，本文對與航空發(fā)動機葉片相同工藝條件的TC4鈦合金鍛件進行激光沖擊強化與熱處理復合處理，分別對材料進行1、2次激光沖擊強化，并對沖擊強化后的材料進行了熱處理，研究了激光沖擊強化和熱處理復合工藝對TC4材料微觀形貌、表面硬度與耐腐蝕性能的影響，分析并總結(jié)了其影響規(guī)律。

1、試驗材料和試驗方法

1.1試驗材料

試驗材料為7mm厚的Ti-6Al-4V（TC4）鍛件，其化學成分如表1所示。所有的試樣通過線切割加工制備成尺寸為200mm×200mm×7mm的方形塊體，然后用酒精清洗干凈。

1.2試驗方法

激光沖擊強化所使用的激光器為Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，其輸出能量為2.8Ｊ，波長為532ｎｍ、脈沖頻率為1Ｈｚ，脈沖寬度為14ｎｓ。在激光沖擊強化過程中，所選用的光斑直徑為2mm，光斑搭接率為50％，激光功率密度為6.37ＧＷ／ｃｍ²。同時，使用1mm的水層和厚度為0.12mm的黑色電工絕緣膠帶作為激光沖擊強化的約束層和吸收層。激光沖擊強化的原理與路徑如圖1所示。將部分激光沖擊強化后的試樣進行熱處理。試樣的熱處理是在真空氣氛爐（ＳＱＦＬ－1400）中進行的。將試樣在1ｈ內(nèi)加熱到600℃，并在600℃下保持1ｈ，然后進行爐冷。將進行0、1、2次沖擊強化后的試樣分別記為0、Ｌ－1、Ｌ－2，將沖擊1次和2次后進行熱處理的試樣分別命名為Ｌ－1－Ｏ和Ｌ－2－Ｏ。具體的工藝參數(shù)見表2。

通過激光共聚焦顯微鏡（ＶＫ－Ｘ100Ｋ／Ｘ200Ｋ）對試件表面形貌進行觀測，測量其表面粗糙度。為了觀察橫截面的微觀結(jié)構，對試樣的橫截面用60～1500＃的砂紙進行研磨，然后進行拋光。每個試樣都使用掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ，ＦＥＩＱｕａｎｔａＦＥＧ250）和電子背散射衍射（ＥＢＳＤ）進行觀察。利用 ＲＤＨＶＳ－1000Ｚ維氏硬度計測量試樣的表面硬度，測量載荷為25ｇ，保荷時間為10ｓ。利用線切割將各個試樣截取規(guī)格為6×6×7mm3的方形塊體，將試樣用無水乙醇進行清洗，最后利用超聲波進行清洗，并冷風吹干。電化學腐蝕采用武漢科思特儀器公司的ＣＳ系列電化學工作站進行測量。采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為Ａｇ／ＡｇＣｌ（飽和ＫＣｌ）電極，電解質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)3.5％的ＮａＣｌ溶液，試樣工作面積為0.0126ｃｍ2。極化曲線試驗以動電位掃描法測定試樣的自腐蝕電位和腐蝕電流密度，并根據(jù)Ｔａｆｅｌ外推法計算試樣的腐蝕速率，試驗采用的掃描速率為1ｍＶ／ｓ。

2、結(jié)果與討論

2.1表面形貌

各個試樣的表面形貌如圖2所示。可以看出，激光沖擊強化所產(chǎn)生的沖擊波在材料表面產(chǎn)生了塑性變形，并出現(xiàn)凹、凸的形貌。通過測試得知，0、Ｌ－1、Ｌ－2、Ｌ－1－Ｏ和Ｌ－2－Ｏ試樣的表面粗糙度分別為1.63μｍ、1.94μｍ、2.14μｍ、1.77μｍ和2.14μｍ。

激光沖擊強化后，材料的表面發(fā)生了塑性變形［19］，從而導致了其表面粗糙度的增大，且Ｌ－2表面的粗糙度大于Ｌ－1處理表面的粗糙度。而熱處理之后，試樣在600℃下可能發(fā)生了再結(jié)晶［20］，所以試樣的表面粗糙度相比沖擊強化的試樣有所下降或者不變，但仍較原始試樣的表面粗糙度高。

2.2微觀結(jié)構

圖3和圖4分別是原始試樣和處理后試樣的截面形貌ＳＥＭ圖像和晶界分布圖。如圖3（ａ）和圖3（ｂ）所示，可以發(fā)現(xiàn)原始試樣的α相晶粒較大，β相的分布也比較聚集。對比圖3（ａ）和圖4（ａ），沖擊強化后，Ｌ－1試樣的β相變得更加細長，且多分布在α相的周圍，不再出現(xiàn)大量聚集的組織形貌。同時，靠近沖擊面的晶粒在沖擊強化后發(fā)生了明顯的變形。

圖4（ｂ）顯示了Ｌ－2試樣的α相晶粒尺寸相比原始試樣和Ｌ－1試樣要更加細小。從圖4（ｆ）中的黃色框內(nèi)可以看到，α相晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了一些形變界面，這可能是由于多次沖擊強化所產(chǎn)生的沖擊波使得晶粒內(nèi)部發(fā)生了變形。對于Ｌ－1－Ｏ試樣，與Ｌ－1試樣相比，熱處理后試樣的β相的分布再次集中，同時靠近沖擊面的晶粒發(fā)生的變形未明顯改變。如圖4（ｈ）所示，Ｌ－2－Ｏ試樣相比Ｌ－2試樣，在熱處理后其α相晶粒內(nèi)部的形變界面消失。

當相鄰晶粒的取向差Δρ＜15°時，稱之為小角度晶界，取向差Δρ＞15°時則稱之為大角度晶界。在晶粒細化的過程中，塑性變形會引起高密度位錯、孿晶等微觀形貌的變化，在晶粒內(nèi)部逐漸形成小角度的亞晶界，進一步演化后會發(fā)展成大角度晶界，大角度晶界會產(chǎn)生切割效應，將整個晶粒形成具有取向性的細小晶粒，實現(xiàn)晶粒細化［21］。圖3和圖4中的紅色晶界為小角度晶界，黑色的為大角度晶界。

α相和β相是兩種不同的相，因此α相和β相之間的晶界都是大角度晶界。將圖3（ａ）與圖3（ｂ）和圖3（ｃ）進行對比，可以看到大角度的晶界的分布與β相的分布位置是比較吻合的，同時可以看出小角度晶界絕大多數(shù)都分布在α相內(nèi)［21］。對比圖3（ｃ）和圖4（ｉ），可以看出試樣在經(jīng)過沖擊強化后，大角度晶界的聚集減少，這與Ｌ－1試樣在一次沖擊強化后，β相的分布開始分散的情況是吻合的。如圖4（ｊ）所示，Ｌ－2相比Ｌ－1內(nèi)部大角度晶界增多，表面小角度晶界減少。從圖4（ｉ）和圖4（ｋ）可見，熱處理后Ｌ－1－Ｏ表面小角度晶界減少，內(nèi)部小角度晶界增多，且變得集中。而從圖4（ｌ）中可以看出，Ｌ－2－Ｏ相比Ｌ－2表面大角度晶界減少，小角度晶界增多。可能是熱處理之后，大角度晶界轉(zhuǎn)變成了小角度晶界。這些結(jié)果都與ＳＥＭ的結(jié)果相吻合。而Ｌ－2－Ｏ與相比Ｌ－1－Ｏ，其表面的小角度晶界仍然較多，說明兩次沖擊后的材料保持其強化后的形態(tài)的能力更強。

2.3表面硬度

從圖5中可以看出，原始試樣的表面硬度約為378.6ＨＶ，而Ｌ－1和Ｌ－2的表面硬度約為425.4ＨＶ和456.5ＨＶ，分別比原始試樣高12.3％和20.5％。

隨著沖擊強化次數(shù)的增加，材料的表面硬度也隨之增加。材料表面硬度的提高主要歸因于激光沖擊強化引起的塑性變形和晶粒細化。熱處理后，Ｌ－1－Ｏ的表面硬度約為465.1ＨＶ，相比Ｌ－1增加了9.3％，而Ｌ－2－Ｏ的表面硬度約為483.2ＨＶ，相比Ｌ－2增加了5.8％，比原始試樣的表面硬度提高了27.6％。與只經(jīng)過沖擊強化處理的TC4試樣相比，硬度也有提高。這表明激光沖擊強化和熱處理的結(jié)合工藝可以進一步提高TC4的表面硬度。

2.4動電位極化曲線

不同試樣在質(zhì)量分數(shù)為3.5％NaCl溶液中的動電位電位極化曲線如圖6所示。從中可以看出，各試樣的動電位極化曲線形狀相差不大，均存在鈍化區(qū)。通過圖6根據(jù)塔菲爾外推法計算出不同試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度如表3所示。

從圖6及表3可以看出，原始試樣的自腐蝕電位為－0.61595Ｖ，而經(jīng)過一次和兩次激光沖擊強化的試樣的自腐蝕電位分別為－0.41510Ｖ和－0.38204Ｖ。沖擊強化后試樣的自腐蝕電位相比原始試樣發(fā)生了正移，而且隨著激光沖擊次數(shù)的增加，TC4鈦合金自腐蝕電位逐漸正移。表明隨著激光沖擊次數(shù)的增加，在電化學腐蝕過程中，沖擊強化后的表面層更容易發(fā)生鈍化，耐腐蝕性能更佳，更不易發(fā)生腐蝕［22］。經(jīng)過沖擊強化后，試樣的耐腐蝕性能得到提升的原因可能是沖擊強化后試樣表面的大角度晶界增多，大角度晶界更不易被腐蝕，因此經(jīng)過兩次沖擊強化后的試樣的耐腐蝕性能更好。

與此同時，0、Ｌ－1和Ｌ－2的自腐蝕電流密度分別為3.8111μＡ／ｃｍ2、1.4738μＡ／ｃｍ2和2.2167μＡ／ｃｍ2。

經(jīng)過沖擊強化后，試樣的腐蝕電流密度減小，說明當試樣發(fā)生腐蝕后，其腐蝕速率降低，耐腐蝕性能得到了提升。Ｌ－1和Ｌ－2的腐蝕速率相比原始試樣分別降低了61.3％和41.8％。Ｌ－2的腐蝕電流密度相比Ｌ－1有所上升，原因可能是激光沖擊強化次數(shù)增多后，試樣表面粗糙度增大，使得腐蝕接觸面積增大，進而導致腐蝕電流密度的上升。這表明Ｌ－2試樣相比Ｌ－1試樣受腐蝕的傾向更小，但其一旦受到腐蝕，其腐蝕速率將大于Ｌ－1試樣［23］。

熱處理之后，Ｌ－1－Ｏ的自腐蝕電位相比Ｌ－1向負移動了0.36323Ｖ，其腐蝕電流密度相比Ｌ－1則提高了1.6倍。而Ｌ－2－Ｏ的自腐蝕電位相比Ｌ－2向負移動了0.03545Ｖ，其腐蝕電流密度相比Ｌ－2則提高了89.8％。說明了熱處理后，試樣的腐蝕速率提高，耐腐蝕性能下降。可能是由于熱處理之后，試樣表面的晶粒變大所導致的。Ｌ－2－Ｏ的自腐蝕電位相比Ｌ－1－Ｏ向正方向移動了0.36084Ｖ，說明其更不易發(fā)生電化學腐蝕，這可能與其表面小角度晶界較多有關。Ｌ－1－Ｏ和Ｌ－2－Ｏ試樣的自腐蝕電流密度和腐蝕速率與原始試樣相比未發(fā)生明顯變化，說明TC4試樣在經(jīng)過激光沖擊強化與熱處理復合工藝處理后，其耐腐蝕性能與未處理前基本保持一致。

3、結(jié)論

（1）激光沖擊強化后，TC4試樣表面粗糙度增大，且試樣表面的粗糙度會隨著激光沖擊強化次數(shù)的增加而變大。而熱處理之后，試樣的表面粗糙度有所下降。激光沖擊強化后，β相均勻地分布在α相周圍。同時，靠近沖擊面的晶粒發(fā)生了明顯的變形，并且在α相晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了一些變形界面。熱處理后試樣的形變界面消失了，α相晶粒尺寸增大，β相的分布再次集中，同時靠近沖擊面的晶粒發(fā)生的變形并未明顯改變。

（2）隨著沖擊強化次數(shù)的增加，材料表面硬度也在提高。Ｌ－1和Ｌ－2試樣表面硬度相比原始試樣分別提高了12.3％和20.5％。熱處理后，Ｌ－1－Ｏ的表面硬度相比Ｌ－1增加了9.3％，而Ｌ－2－Ｏ的表面硬度達到了483.2ＨＶ，相比原始試樣提高了27.6％。激光沖擊強化和熱處理的結(jié)合可以進一步提高TC4的表面硬度。

（3）激光沖擊強化后TC4試樣的自腐蝕電位發(fā)生了正移，腐蝕電流密度下降。Ｌ－1和Ｌ－2的腐蝕速率相比原始試樣分別降低了61.3％和41.8％。激光沖擊強化后，腐蝕速率變緩，耐腐蝕性能提升。熱處理之后，TC4試樣自腐蝕電位向負移動，其腐蝕電流密度上升。表明熱處理后，試樣的腐蝕速率提高，耐腐蝕性能下降。TC4試樣在經(jīng)過激光沖擊強化與熱處理復合工藝處理后，其耐腐蝕性能與未處理前基本保持一致。激光沖擊強化與熱處理復合工藝在保持原有耐腐蝕性能的同時，可以有效提高TC4的表面硬度。

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