电子档案

科学新讯

第 12 卷 - 2024 年 6 月刊
利用激光冲击强化技术对不锈钢进行表面改性
图1:在SS304上的单点进行的LSP,其中周期特征中的机加工线约为140µm,峰谷距离特征中的机加工线约为4µm。(a)LSP诱导的凹坑中心的表面高度剖面;(b)表面高度的3D映射,显示LSP诱导的凹坑内的完整机加工线

图1:在SS304上的单点进行的LSP,其中周期特征中的机加工线约为140µm,峰谷距离特征中的机加工线约为4µm。(a)LSP诱导的凹坑中心的表面高度剖面;(b)表面高度的3D映射,显示LSP诱导的凹坑内的完整机加工线

图2:LSP诱导的表面凹坑。(a)在SS304L上测量的LSP诱导的凹坑中心的表面高度剖面;(b)在SS316L上测量的LSP诱导的凹坑中心的表面高度剖面;(c)LSP在SS304L和SS316L镜面抛光表面上诱发的凹坑深度与喷丸次数的函数关系

图2:LSP诱导的表面凹坑。(a)在SS304L上测量的LSP诱导的凹坑中心的表面高度剖面;(b)在SS316L上测量的LSP诱导的凹坑中心的表面高度剖面;(c)LSP在SS304L和SS316L镜面抛光表面上诱发的凹坑深度与喷丸次数的函数关系

图3:用SEM记录的镜面抛光SS304L和SS316L在15次单点LSP后的形态变化。(a)SS316L上的LSP凹坑,(b)-(c)LSP之前的SS316L,(d)SS304L上的LSP凹坑,(e)-(f)LSP之后的SS316L,(g)-(i)LSP之前的SS304L,(j)-(l)LSP之后的SS304L

图3:用SEM记录的镜面抛光SS304L和SS316L在15次单点LSP后的形态变化。(a)SS316L上的LSP凹坑,(b)-(c)LSP之前的SS316L,(d)SS304L上的LSP凹坑,(e)-(f)LSP之后的SS316L,(g)-(i)LSP之前的SS304L,(j)-(l)LSP之后的SS304L

图4:镜面抛光不锈钢上由LSP诱导的凹坑的表面研究。(a)EDX光谱,显示碳沉积的增加与LSP喷丸次数的关系,(b)典型拉曼光谱,显示沉积的碳结晶为石墨结构

图4:镜面抛光不锈钢上由LSP诱导的凹坑的表面研究。(a)EDX光谱,显示碳沉积的增加与LSP喷丸次数的关系,(b)典型拉曼光谱,显示沉积的碳结晶为石墨结构

图5:通过探测LSP诱导的凹坑中心的衍射图样获得的XRD强度。(a)-(e)SS304L上,(f)-(j)SS316L上

图5:通过探测LSP诱导的凹坑中心的衍射图样获得的XRD强度。(a)-(e)SS304L上,(f)-(j)SS316L上

简介

激光冲击强化(LSP)是一种先进的表面处理技术,可在室温或低于再结晶温度的条件下增强材料(主要是金属)的表面完整性(即冷加工工艺)[1]。LSP利用高能激光脉冲在工件表面产生受控的冲击波。高能激光脉冲聚焦在工件表面,迅速加热并汽化一小部分材料。材料汽化产生高压等离子体,而后者产生的冲击波可进入材料内部。为避免工件表面在LSP过程中遭到损坏,通常会在表面涂抹一层划痕层(例如黑色胶带),作为产生蒸汽和形成高压等离子体的源头。另外,在划痕层上通常会涂抹一层透明层,例如层状水流,以增强冲击波对工件的喷射,从而导致塑性变形。

喷射到工件中的冲击波在表面下方产生残余压应力,对提高抗疲劳性、防止裂纹的产生和扩展大有裨益。冲击波诱发的巨大压力和塑性变形还会导致工件表面和近表面区域加工硬化,使表层更坚硬、更耐磨。LSP通过塑性变形可帮助封闭和愈合表面微裂纹和缺陷,加上表面硬化和残余压应力,可增强工件的耐腐蚀性。在LSP引起的残余压应力、加工硬化和表面缺陷减少的组合作用下,金属部件的疲劳寿命大幅提高。鉴于此,在提高关键部件(尤其是在恶劣条件下运行的部件)的抗疲劳性、耐磨性和整体使用寿命至关重要的航空航天、汽车和其他行业中,LSP有着巨大的应用潜力[2-4]。

有人指出,LSP可精确控制深度和覆盖范围,适用于复杂部件和关键应用。通过调整施加的激光能量和激光脉冲数,可以对处理层进行控制[1,4]。然而,鲜有文献报道相关的实验结果及其与初始表面粗糙度的关系。此外,人们普遍认为LSP并不会清除表面的材料;然而,要了解等离子体在LSP过程中可能造成的微量表面改性和潜在污染(例如氧化),还需要开展更多的工作。为此,我们利用增加的脉冲数(即LSP喷丸次数),在奥氏体不锈钢(SS)304L和316L的单点实施了LSP过程。根据实验表征,讨论了初始表面粗糙度和表面改性(包括形态变化和塑性变形引起的马氏体转变)与LSP喷丸次数的函数关系。在基于LSP、可增强金属部件表面质量的冷加工工艺的设计和加工中,可从所获得的结果中获得重要的启示。


材料与方法

本研究使用尺寸为5mm×50mm×2mm的商用SS304L和SS316L不锈钢板。不锈钢板的表面经过镜面抛光处理。为进行比较,在LSP过程中还使用了一块10mm厚的不锈钢板,其周期特征中的机加工线约为140µm,峰谷特征中的机加工线约为4µm。LSP的激光波长和脉冲持续时间分别为1064nm和18ns。工件表面的激光束直径约为3.0mm;脉冲能量为10J;峰值功率密度约为7.86GW/cm²。在不锈钢板表面贴上黑色胶带,每次LSP喷丸完成后更换。采用层状水流增强喷射到不锈钢板的冲击波。

采用扫描电子显微镜(SEM)和阶梯式表面光度仪研究表面形貌的改变,利用X射线衍射(XRD)和显微拉曼散射表征LSP诱导的马氏体转变和潜在表面氧化。X射线束(Cu-Kα)的直径为1.0mm。拉曼散射的激发激光波长为532nm,样品表面的光束直径为900nm。采用能量色散X射线光谱(EDX)研究LSP过程背后的表面化学性质。


结果与讨论

图1(a)显示了使用阶梯式表面光度仪测量的SS304上由LSP引起的凹坑中心的典型表面高度剖面,其中标注了原始机加工线。图1(b)显示了典型的凹坑3D映射,其中的机加工线清晰可辨。比较图1中LSP凹坑内外的机加工线可以发现,其特征(即周期和峰谷距离)在LSP过程中没有表现出任何明显的变化,但凹坑深度和凹坑内的表面波纹度随LSP喷丸次数的增加而呈现单调增加。这些观察结果表明,无论波峰还是波谷区域,冲击波都会同时均匀地冲击表面特征。LSP的这一特性与基于机械方法的冷加工工艺(例如机器人锤击强化和喷丸强化)明显不同[5,6],在机械方法中,对波峰的冲击早于对波谷的冲击,导致凹坑内的表面比凹坑外的表面更光滑。

图2(a)和2(b)分别显示了LSP在SS304L和SS316L上诱导的凹坑中心测量的表面高度剖面。与图1(a)中的剖面进行比较后确认,凹坑中心的波纹度随喷丸次数的增加而增加。但是,由于图2中SS304L和SS316L试样的初始表面经过镜面抛光,因此可以看到凹坑内部的表面粗糙化,尤其是喷丸20次后造成的粗糙化[见图2(b)]。图2(c)显示了LSP过程在光滑SS304L和SS316L上诱导的凹坑深度与喷丸次数的函数关系。可以发现,凹坑深度几乎随着喷丸次数的增加而呈线性增加,尤其是在喷丸5次之后。

图3显示了镜面抛光SS304L和SS316L试样在执行15次单点LSP过程前后的典型SEM图像。综合观察结果显示,表面粗糙化是由LSP过程引起的,初始表面越光滑,LSP过程引起的粗糙度就越大。仔细观察凹坑内的表面(如图3(l))可以发现,表面粗糙化与材料从表面喷射而引起的挤压有关。对经过LSP处理的不锈钢样品的进一步研究表明,2mm厚不锈钢试样背面(见图2)出现鼓起,而10mm厚不锈钢块却未出现(见图1)。通过这一对比,再加上图3(e)-3(f)和3(j)-3(l)中表面层裂的挤压状特征,表明回波冲击波和受热表面层在LSP过程中结合在一起。

然后,利用EDX对LSP诱导的凹坑进行了化学研究,如图4(a)所示。很显然,碳沉积在经过LSP处理的表面上,并且沉积量随LSP喷丸次数的增加而增加[见图4(a)插图中的放大光谱]。拉曼散射研究[典型的拉曼光谱见图4(b)]显示,沉积的碳结晶成石墨结构。很明显,使用黑色胶带导致碳在等离子体中因汽化而沉积,并因此在等离子体冷却时沉积。

最后,通过横向探测LSP诱导的凹坑中心的衍射图样,进行XRD测量。图5(a)和5(b)显示了39°-55°的2θ范围内的XRD强度,涵盖γ(111)、α'(110)和γ(200)的布拉格角。SS304L和SS316L [分别见图5(a)-5(e)和5(f)-5(j)]的一个显著区别是,SS304L在约47°处有一个额外的衍射峰,而SS316L则没有。相比之下,SS316L中凹坑边缘的初始α'(110)衍射峰有所减弱[见图5(j)中的箭头],而在SS304L中则没有。根据变形诱发的马氏体转变,在约47°处的附加衍射峰可归属于ε(101)。图5(a)-5(e)的比较表明,在SS304L的LSP过程中发生了γ-ε和γ-α’转变。但由于SS316L的堆垛层错能大于SS304L [1],因此在SS316L的LSP过程中不存在相变[见图5(f)-5(j)]。相比之下,如图5(j)中的箭头所示,LSP诱发的XRD强度从初始α’相(由于机械过程而残留在表面上)开始减弱,这可归因于在图3(e)-3(f)和图3(j)-3(l)中观察到的表面层裂。如图2中的观察结果,SS304L和SS316L在LSP过程中的不同变形机制产生了不同的凹坑深度。


结语

在粗糙和光滑的不锈钢试样上进行单点激光冲击强化,并使用黑色胶带作为划痕层,以保护表面不受损害。使用层状水流作为透明和冲击波屏蔽层,以增强注入工件的压力。根据观察,随着喷丸次数的增加,凹坑深度几乎呈线性增加,SS316L的凹坑深度增加速度稍快于SS304L。经XRD确认,这种差异归因于不同的塑性变形机制。除了观察到数十微米的表面层裂,还观察到石墨微晶形式的碳沉积。这些观察结果证明在LSP过程中表面温度会升高,从钢试样后表面回波的冲击波也会产生影响。


致谢

本研究由A*STAR RIE2020先进制造与工程(AME)计划基金通过结构金属合金项目(SMAP,批准号:A18B1b0061)提供资助。感谢Dura-Metal (S) Pte. Ltd.的Roy Lim和T. F. Wang提供的技术支持。


参考文献

[1] N Gong, et al., “High energy laser-shock induced phase transformation and micro-spallation on surface of stainless steels: The effect of stacking fault energy and deformation mechanisms” Appl. Surf. Sci. Vol 623, pp. 156013, 2023.

[2] N. Gong and H. Liu, “Laser-based Process towards Advanced Manufacturing of Metal Alloys” J. Phys. Conf. Ser. Vol 2510, pp. 012025, 2023.

[3] H. Liu, et al., “Robotic hammer peening-induced martensite in austenitic steels: Spatial distribution of plastic deformation and phase transformation” Proc. CIRP Vol 87, pp. 297-301, 2020.

[4] H. Liu, et al., “Comparisons on localized surface modifications of stainless steels induced by laser shock peening and robotic hammer peening” Proc. CIRP Vol 108, pp. 118-122, 2022.

[5] H. Liu, et al., “Effects of Robotic Hammer Peening on Structural Properties of Ni-Based Single-Crystal Superalloy: Dislocation Slip Traces and Crystallographic Reorientations” Metall. Mater. Trans. A Vol. 51, pp. 3180-3193, 2020.

[6] H. Liu, et al., “XRD and EBSD studies of severe shot peening induced martensite transformation and grain refinements in austenitic stainless steel” Mater. Charact. Vol 168, pp. 110574, 2020. 


Hongfei Liu (Ph. D. in Physics)

Principal Scientist

邮箱:liuhf@imre.a-star.edu.sg


Ivan Chee Kiang Tan

(Ph. D. in Eng.)

Principal Scientist


Institute of Materials Research and

Engineering (IMRE), A*STAR (Agency for Science, Technology and Research), 2 Fusionopolis Way, Singapore 138634, Singapore


Yuefan Wei

(Ph. D. in Eng.)

Senior Scientist


Advanced Remanufacturing and Technology Centre (ARTC), A*STAR (Agency for Science, Technology and Research), 3 Cleantech Loop, Singapore 637143, Singapore