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激光冲击强化对TC11抗外物损伤能力的影响*

  • 陆楷楠1

    机 构：

    1. 南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016

    ×
  • ， 陈伟1

    机 构：

    1. 南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016

    ×
  • ， 赵振华2

    机 构：

    2. 南京航空航天大学航空学院 南京 210016

    ×
  • ， 周留成3

    机 构：

    3. 空军工程大学航空航天工程学院 西安 710038

    ×
  • ， 邹佳颖1

    机 构：

    1. 南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016

    ×
  • ， 詹来富1

    机 构：

    1. 南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016

    ×

1. 南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016；
2. 南京航空航天大学航空学院 南京 210016；
3. 空军工程大学航空航天工程学院 西安 710038；

Effect of Laser Shock Process on Resistance of TC11 to Foreign Object Damage

  • LU Kainan1

    Affiliation：

    1. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China

    ×
  • ， CHEN Wei1

    Affiliation：

    1. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China

    ×
  • ， ZHAO Zhenhua2

    Affiliation：

    2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China

    ×
  • ， ZHOU Liucheng3

    Affiliation：

    3. College of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’ an 710038 , China

    ×
  • ， ZOU Jiaying1

    Affiliation：

    1. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China

    ×
  • ， ZHAN Laifu1

    Affiliation：

    1. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China

    ×

1. College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China；
2. College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016 , China；
3. College of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’ an 710038 , China；

作者简介:

陆楷楠,男,1995年出生,博士研究生。主要研究方向为结构强度与振动。E-mail:lukainan@nuaa.edu.cn;

赵振华(通信作者),男,1979年生,博士,讲师。主要研究方向为结构强度与振动、疲劳与断裂、超高周疲劳和结构抗冲击。E-mail:zhaozhenhua@nuaa.edu.cn

中图分类号:V263;TG665

DOI:10.11933/j.issn.1007−9289.20210901003

参考文献 1
BACHE M R,BRADSHAW C,VOICE W.Characterisation of foreign object damage and fatigue strength in titanium based aerofoil alloys[J].Materials Science & Engineering A,2003,354(1-2):199-206.
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参考文献 2
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参考文献 3
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参考文献 4
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参考文献 5
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参考文献 6
NAYAK M A,RAMACHANDEA S,MANNAN S L,et al.Influence of foreign object damage on high cycle fatigue of Ti–6Al–4V alloy[J].Transactions of the Indian Institute of Metals,2015,69(8):1475-1481.
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参考文献 7
尹冬梅.高速旋转叶片的外物损伤行为研究[D].南京:南京理工大学,2009.YIN Dongmei.Research on the action of foreign object damage of high speed rotating blade[D].Nanjing:Nanjing University of Science & Technology,2009.(in Chinese)
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参考文献 8
ZHANG X,CHAN B,LAMA S,et al.Influence of impact dents on the fatigue strength of aluminium alloy friction stir welds[J].Science Direct,2010,2:1691-1700.
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参考文献 9
潘辉.叶片外物损伤的特征分析及模拟试验研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.PAN Hui.Research on damage characteristics and simulation test of foreign object damage of blade[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2012.(in Chinese)
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参考文献 10
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参考文献 11
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参考文献 12
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参考文献 13
LIN B,LUPTON C,SPANRAD S,et al.Fatigue crack growth in laser-shock-peened Ti-6Al-4V aerofoil specimens due to foreign object damage[J].International Journal of Fatigue,2014,59:23-33.
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参考文献 14
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参考文献 15
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参考文献 16
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参考文献 17
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目录contents

    摘要

    为实现激光冲击强化技术在航空发动机风扇 / 发动机叶片上的有效应用，针对强化后钛合金抗外物损伤能力研究不够深入的问题，先后开展 TC11 钛合金的激光冲击强化试验以及外物损伤试验。首先对 TC11 钛合金平板试验件进行激光冲击强化试验，分别测试强化与未强化试验件材料硬度和残余应力。测试结果表明激光冲击强化显著提高了试验件 0～0.2 mm 深度的显微硬度以及 0～0.8 mm 深度的残余压应力。使用空气炮法对强化与未强化的试验件进行外物损伤试验，测量损伤的宏观尺寸，并观测试验件的金相组织。测试结果表明：激光冲击强化有效地减小损伤凹坑的深度；经过外物冲击后，晶粒发生明显的破碎现象；激光冲击强化能显著提高试验件表面与近表层的残余压应力，且激光冲击强化会细化试验件表面组织，从而提升基体材料的显微硬度，有效减少外物冲击带来的损伤。研究了激光冲击强化对外物损伤宏观的影响规律，并且从损伤的微观特征来解释强化对 TC11 材料抗外物损伤能力的提升。

    Abstract

    In order to realize its effective application in aero-engine fan / compressor blades and study the effect on the ability of resistance to foreign object damage and in view of the problem that the research on the resistance of titanium alloy to foreign object damage is not thorough enough, the laser shock process test and foreign object damage test of TC11 titanium alloy are successively carried out. The TC11 titanium alloy flat plate sample is subjected to laser shock process test, and the hardness and residual stress of the material are tested. The test results show that laser shock process significantly improves the microhardness of the test piece at a depth of 0～0.2 mm and the residual compressive stress at a depth of 0～0.8 mm. The air cannon method is used to conduct a foreign object damage test on the strengened samples and base samples. The macroscopic size of the damage is measured and the metallo-graphic structure of the test samples is observed. The test results show that the laser shock process effectively reduces the depth of the damage pits and the crystal grains are obviously broken. The experimental results show that the residual compressive stress on the surface and near surface of the sample can be significantly improved by laser shock process. And laser shock process can refine the surface structure of the test piece, improving the microhardness of the matrix material, which effectively reduces the damage caused by foreign object damage. The influence law of laser shock process on the macro characteristics of foreign object damage is studied. Furthermore, the enhancement of TC11 resistance to foreign object damage by strengthening is explained from the microscopic characteristics of damage.

  • 0 前言

  • 在飞机的工作时段内，尤其是起飞、降落过程中，石块、金属块等硬小物体会随着高速的气流进入发动机内，对叶片造成损伤，通常被称作为外物损伤（FOD）[1-2]。在高频载荷作用下易萌生疲劳裂纹并迅速扩展，最终导致断裂失效，严重威胁发动机的工作时长。

  • 近年来，众多中外学者对不同材料的叶片外物损伤问题进行了研究。1998年，RODER等[3]使用空气炮法模拟了外物损伤试验，观察内部微观组织发现，相较于低速冲击，高速冲击能准确模拟外物损伤过程。2001年，MALL等[4]使用准静态载荷损伤法，使用不同直径的钢压头对矩形试验件进行外物损伤模拟，并采用有限元法计算模拟外物损伤的变形和应力状态。2005年，THOMPSON等[5]使用准静态、低速摆冲击、气枪法模拟了外物损伤试验，通过比较认为气枪法是能够最大程度复现外物损伤特征的试验方法。2007年，ANURADHA等[6]使用气枪法精准复现了损伤缺口，测量评估了缺口附近的残余应力，并计算模拟冲击后的残余应力分布。 2009年，尹冬梅等[7]优化了高速旋转叶片外物损伤的计算方法，模拟不同形状外物冲击叶片进气边，比较分析了硬体和软体外物的撞击特征。2010年， ZHANG等[8]以不同冲击能量和位置冲击带焊接缝的平板，通过评估冲击力、压痕和局部弯曲应力建立失效机制。2012年，潘辉等[9]比较了机械加工缺口法、低速冲击、准静态挤压和高速弹道冲击的优缺点，使用自主设计及制造的空气炮试验系统模拟了外物损伤试验，并数值模拟了缺口附近的残余应力场，发现冲击产生的残余拉应力是引起试验件疲劳失效的主要原因之一。2020年，ZHAO等[10]使用了空气炮法对平板试验件进行了外物损伤模拟试验，详细研究了试验件的宏观和微观损伤特征。

  • 激光冲击强化处理是提高叶片抗外物损伤失效性能很重要的一方面，利用激光冲击波的力学效应造成材料表面的塑性变形，通过引入残余压应力和改变组织结构的方式来提高材料疲劳强度[11]。国外学者开展了很多激光冲击强化对外物损伤的影响研究。2013年，ZABEEN等[12]对激光冲击强化后的前缘位置进行了外物损伤试验，测试外物损伤与强化耦合产生的应力场，凹坑周围有拉应力，而凹坑下方为压应力。2014年，LIN等[13-14]利用数值仿真模拟了激光冲击强化和外物损伤模拟试验，通过了试验来验证仿真计算的准确性，并分析对比试验和仿真中凹坑附近的整体应力场。2020年，REN等[15]研究了双面激光冲击强化对外物损伤的影响，以及外物损伤强化试样的损伤特征及局部应力演化。

  • 但目前国内航空发动机叶片外物损伤研究的重点在于外物损伤的损伤规律以及对叶片疲劳性能的影响，通过表面强化提高叶片抗外物损伤能力尚没有进行深入研究。本文以TC11钛合金为研究对象，先后开展了激光冲击强化、外物损伤试验，研究了激光冲击强化对TC11钛合金平板试验件抗外物损伤特征的影响规律，为下一步研究激光冲击强化对带损伤叶片的疲劳性能影响做铺垫，可以为航空发动机叶片抗外物损伤设计提供支持。

  • 1 试验准备

  • 1.1 试验件

  • 试验件材料为TC11钛合金（Ti-6.5Al-3.5Mo1.5Zr-0.3Si），TC11钛合金是一种综合性能良好的α +β型热强钛合金，该材料金相如图1所示，广泛应用于航天航空工业领域中[11]，在500℃以下具有优异的综合力学性能，主要用来制作发动机冷端工作部件。选用厚度为2mm的TC11锻材，根据HB5277-84标准进行加工，如图2所示，其中阴影部分为激光冲击强化区域。

  • 图1 TC11材料金相图（×400）[11]

  • Fig.1 Metallographic diagram of TC11(×400)[11]

  • 图2 试验件设计加工图

  • Fig.2 Design and processing chart of test piece

  • 1.2 激光冲击强化试验

  • 使用法国盖亚（GAIA）公司研制的大能量灯泵激光器Nd: YAG-GAIA R，选用水流层作为约束层，选用铝箔和黑胶带作为能量吸收涂层，表面处理的物理和力学机制的详细描述见文献[16-17]。

  • 激光脉冲参数：能量为8J，脉宽为10ns，光斑直径为3mm。采用的搭接率为50%，功率密度为11.3GW/cm2，激光能量状态为高斯分布，光斑搭接示意图如图3所示。这样可以增强光斑边缘的强化效果，尽量使材料变形均匀。

  • 图3 试件表面激光冲击区域搭接示意图

  • Fig.3 Schematic diagram of the overlap of the laser impact area on the surface of the specimen

  • 1.3 外物损伤试验

  • 对完成激光冲击强化试验的试验件进行外物损伤试验。使用如图4所示的空气炮试验系统进行外物损伤试验，外物选用轴承钢珠，分别以不同的入射速度和入射角度，从试验件正面对强化与未强化区域进行外物损伤试验，冲击示意图如图5所示。

  • 图4 空气炮试验系统

  • Fig.4 Air cannon test system

  • 图5 冲击方式

  • Fig.5 Impact method

  • 1.4 测试试验

  • （1）表面硬度测试

  • 为了研究激光冲击强化处理后的力学性能变化，对进行完激光冲击强化试验后的试验件进行表面以及沿厚度方向的显微硬度的测量。显微硬度测量参数：载荷100g，停留时间15s。

  • 为了得到沿厚度方向的显微硬度，对平板试件进行切割，并对截面进行打磨抛光。从试件激光冲击面开始，沿厚度方向每隔0.1mm测量一个点，测量如图6所示。

  • 图6 截面硬度测量示意图

  • Fig.6 Schematic diagram of cross-section hardness measurement

  • （2）残余应力测试

  • 为了研究激光冲击强化对试验件表面及厚度方向残余应力的影响，使用X-350A X射线应力测试仪对激光冲击强化试验后的试验件进行表面残余应力测试，采用同倾法，选用铜靶子头，衍射光斑的直径设置为2mm，X光管高压为20kV，X光管电流5.0mA。

  • （3）损伤观测

  • 为研究冲击不同工况对试验件造成损伤尺寸的影响，对完成外物损伤模拟试验的试验件进行缺口的宏观测量。对损伤使用超景深三维显微系统进行测量，观察损伤试件的形貌特征，并测量损伤凹坑的尺寸，包括直径和深度。

  • 使用金相显微镜对部分试验件进行观察，分析激光冲击强化和外物损伤试验对TC11金属材料性能组织的影响。

  • 2 结果分析

  • 2.1 显微硬度

  • 激光冲击强化与未强化试样的显微硬度沿深度方向分布如图7所示。根据图中显微硬度曲线的趋势可以看出，激光冲击强化使得试验件表面的显微硬度显著提高，从301.4HV0.1 增加至347.8HV0.1。激光冲击强化对显微硬度的提升在0～700 μm深度的范围内，超过700 μm的深度后，显微硬度与基体材料基本持平。其中，在0～200 μm深度的浅表层中，相比于基体材料，显微硬度提升幅度较大，超过200 μm后，显微硬度的提升效果很小。

  • 图7 沿深度方向的显微硬度曲线

  • Fig.7 Microhardness curve along the depth

  • 2.2 残余应力分布

  • 激光冲击强化与未强化试样的残余应力沿深度方向分布如图8所示。根据残余应力曲线的趋势可以看出，激光冲击强化在试验件表面引入了残余压应力，从20MPa的压应力增至330MPa。激光冲击强化对深度方向上的残余应力的提升在0.8mm深度范围内，超过0.8mm的深度后，残余应力没有提升，其中，在0～0.8mm深度的范围中，相比于基体材料，残余应力提升幅度较大，超过0.8mm后，残余应力的提升效果很小。

  • 图8 沿深度方向的残余应力曲线

  • Fig.8 Residual stress curve along the depth

  • 2.3 外物损伤结果

  • 使用超景深三维显微系统对正撞击造成的凹坑损伤进行观测，不同试验工况（外物直径、冲击速度、冲击角度）与损伤结果（凹坑直径、凹坑深度）的关系如图9所示。分析可知，当钢珠直径较小时，激光冲击强化可以有效减小损伤凹坑直径与深度；随着钢珠直径的增大，激光冲击强化对于减小损伤凹坑直径的作用变小，但依旧可以有效地减小损伤凹坑的深度；对于冲击速度较低但直径较大的外物的冲击，激光冲击强化的效果不明显。2mm钢珠对试验件正面进行冲击，激光冲击强化区域的损伤（凹坑直径、凹坑深度）随着冲击速度的提高而增加，当钢珠直径增加至4mm时，凹坑深度平均值有轻微降低，主要由于冲击速度有略微降低，且撞击时，钢珠与试验件表面的接触面积增大，导致单位面积所受应力变小。相同直径外物以同一速度冲击，与冲击角度为90°入射相比，以60°入射时，凹坑呈椭圆形，凹坑长轴略微增大，深度略微减小。

  • 图9 不同试验工况与损伤结果（凹坑直径、凹坑深度）的关系

  • Fig.9 Pit diameter, pit depth caused by different working conditions

  • 钢珠直径2mm、速度200m/s、入射角度90° 条件下的部分试验件损伤如图10a、10b所示，凹坑边界清晰，形状是规则的圆形；钢珠直径2mm、速度200m/s、入射角度60°条件下的部分试验件损伤如图11a、11b所示，凹坑呈椭圆形，这类损伤凹坑可分为入射处和出射处，入射处较为平整，边界清晰，靠近凹坑边缘的材料受到一定程度的拉伸，出射处材料发生挤压变形，一些材料在边缘堆积隆起，靠近凹坑边缘的材料受到一定程度压缩，出射处的塑性变形比入射处大；钢珠直径2mm、速度280m/s、入射角度90°条件下的部分试验件损伤如图12a、12b所示，凹坑边界不再清晰，边缘隆起，挤出明显，变形严重，甚至存在材料丢失现象，凹坑底部有类似水波纹的结构；钢珠直径4mm、速度280m/s、入射角度90°条件下的部分试验件损伤如图13a、13b所示，凹坑底部较平坦，边界清晰，无隆起。激光冲击强化对凹坑损伤的宏观形貌影响较小。

  • 图10 钢珠直径2mm、速度200m/s、入射角度90°条件下损伤形貌

  • Fig.10 Damage morphology under the conditions of steel ball diameter of 2mm, velocity of 200m/s and incident angle of 90°

  • 图11 钢珠直径2mm、速度200m/s、入射角度60°条件下损伤形貌

  • Fig.11 Damage morphology under the conditions of steel ball diameter of 2mm, velocity of 200m/s and incident angle of 60°

  • 图12 钢珠直径2mm、速度280m/s、入射角度90°条件下损伤形貌

  • Fig.12 Damage morphology under the conditions of steel ball diameter of 2mm, velocity of 280m/s and incident angle of 90°

  • 图13 钢珠直径4mm、速度200m/s、入射角度90°条件下损伤形貌

  • Fig.13 Damage morphology under the conditions of steel ball diameter of 4mm, velocity of 200m/s and incident angle of 90°

  • 2.4 金相组织观察

  • 未进行激光冲击强化但遭受外物损伤区域缺口边缘的金相组织如图14所示。从图中观察发现，受冲击后材料金相组织发生了明显变化，一方面金相组织变得细长，另一方面金相组织呈现出明显的排列朝向，而且冲击表面比材料内部变化更明显，说明外物冲击使材料的金相组织发生了改变，缺口附近发生了材料流动现象，靠近缺口表面的流动比材料内部明显，材料流动使缺口截面形成圆弧形的光滑区域。

  • 图14 未强化的损伤缺口截面金相组织（×400）

  • Fig.14 Metallographic structure of base damage sample (×400)

  • 经过激光冲击强化后没有进行外物损伤试验区域的金相组织如图15所示。从图中观察发现，由于激光冲击强化使晶粒分割细化成更小的等轴状组织，金相组织发生了明显的细化，表面晶粒尺寸差距较小，较为均匀。

  • 图15 激光冲击强化后的金相组织（×500）

  • Fig.15 Metallographic structure of strengened sample (×500)

  • 经过激光冲击强化后且进行外物损伤试验区域的金相组织如图16所示。从图中观察发现，受到外物冲击后，受冲击区域的晶粒产生较大的变形，受冲击区域边缘的晶粒形状变得不规则，且 α 相存在明显的破碎现象。在远离冲击区域，金相组织变形程度较小。与未强化的损伤缺口截面金相组织相比，强化后的基体材料晶粒不再是细长状的，而是更短小的晶粒，更细长的晶粒意味着更多的晶界，驱使材料流动需要的能量也越大，从而使得基体材料硬度提升，对钛合金平板的抗冲击性能起到积极作用。

  • 图16 激光冲击强化后经历外物损伤的金相组织（×500）

  • Fig.16 Metallographic structure of strengened damage sample (×500)

  • 3 结论

  • （1）高功率密度的激光冲击强化能显著提高TCC钛合金试验件表面的残余压应力与显微硬度，且强化后，基体材料表面组织明显细化；激光冲击强化对TC11钛合金试验件的抗冲击性能起到积极作用，可以有效提升TC11抗外物损伤能力。

  • （2）研究激光冲击强化对外物损伤宏观的影响规律，并且从损伤的微观特征来解释强化对TC11材料抗外物损伤能力的提升。

  • （3）宏观损伤尺寸会影响应力集中系数，这也是影响损伤叶片疲劳性能的关键参数之一。开展损伤件的相关疲劳测试，补充残余应力、宏微观特征、断口等对疲劳性能的影响，分析激光冲击强化对TC11钛合金叶片疲劳性能的影响这一研究工作有待进一步研究。

  • 参考文献

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    • [17] WAN X S,ZHAO S S,YANG Y,et al.Effects of nitrogen pressure and pulse bias voltage on the properties of Cr–N coatings deposited by arc ion plating[J].Surface and Coatings Technology,2010,204:1800-1810.

  • 基本信息

    中图分类号: V263;TG665
    DOI: 10.11933/j.issn.1007−9289.20210901003

    基金信息

    国家科技重大专项资助项目(2019-IV-0014-0082)；
    Supported by National Science and Technology Major Project (52122508，52005511，52130509).；

    引用信息

    稿件历史

    收稿日期: 2021-09-01

  • 参考文献

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