Ｋ２４合金是研制的一種新型的鑄造鎳基高溫合金， 應(yīng)用于新一代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)噴管等重要的熱端部件。 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（ＬＳＰ： ｌａｓｅｒ ｓｈｏｃｋ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）是利用高功率密度（ＧＷ／ｃｍ２）、 短脈沖（ｎｓ量級）激光束照射金屬時(shí)產(chǎn)生高強(qiáng)度沖擊波在金屬材料或零件表層形成數(shù)百個(gè)ＭＰａ的殘余壓應(yīng)力， 從而改善金屬材料性能的一項(xiàng)新技術(shù)， 目前已被廣泛應(yīng)用于材料表面改性的研究中。 激光淬火是以高能量的激光束快速掃描金屬工件， 使被照射的金屬或合金表面溫度以極快速度升高到相變點(diǎn)而低于融化溫度， 當(dāng)激光束離開被照射部位時(shí)， 由于熱傳導(dǎo)的作用， 處于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進(jìn)行自動淬火， 它可以有效提高金屬材料或零件的表面硬度、耐磨性、 耐蝕性以及強(qiáng)度和耐高溫特性。

基于強(qiáng)化目的， 本文利用激光淬火與激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)對Ｋ２４超合金表面進(jìn)行了復(fù)合處理，并用Ｘ－３５０ Ａ型Ｘ射線應(yīng)力儀測定了激光沖擊處理熔敷區(qū)后的殘余應(yīng)力， 同時(shí)分析了激光沖擊前后熔敷區(qū)在５００℃回火處理８、 １６ ｈ工藝后的殘余應(yīng)力變化規(guī)律， 研究了殘余應(yīng)力對Ｋ２４超合金疲勞壽命的影響，給以后的研究工作提供了試驗(yàn)和理論依據(jù)。

試樣材料
試樣材料為Ｋ２４超合金， 其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表１所示。 另外， 該合金中還有大量的金屬間化合物與碳化物（如ＴｉＣ）作為強(qiáng)化相， 還有氮化夾雜物存在。 由于這些特殊的金相結(jié)構(gòu)，Ｋ２４具有非常優(yōu)異的高溫綜合性能， Ｋ２４的力學(xué)性能如下： 抗拉強(qiáng)度ｏｒ≥８３０ ＭＰａ； 伸長率艿≥５％； 斷面收縮率９≥７％； 硬度ＨＲＣ為４８～５５；９７５℃ 、 １９６ ＭＰａ持久時(shí)間￡ ≥４０ ｈ。 試樣尺寸為３０ ｍｍ× ２０ ｍｍＸ２ ｍｍ。 激光沖擊時(shí)采用Ｋ９光學(xué)玻璃為約束層， 用８６－１型黑色涂料作為激光能量吸收層。

試驗(yàn)裝置及參數(shù)選擇
使用強(qiáng)激光實(shí)驗(yàn)室的快速軸流Ｃ０２多功能激光器對Ｋ２４超合金試樣進(jìn)行激光淬火，激光淬火的參數(shù)均為： 功率１０００ Ｗ， 掃描速度６ｍｍ／ｓ， 光斑尺寸拳３ ｍｍ。 激光沖擊強(qiáng)化處理試驗(yàn)在該實(shí)驗(yàn)室的重復(fù)率釹玻璃高功率激光沖擊強(qiáng)化裝置上進(jìn)行， 其工藝參數(shù)如表２所示。

驗(yàn)證方法
用快速軸流ＣＯ： 多功能激光器對Ｋ２４超合金進(jìn)行激光淬火處理， 然后對淬火區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理， 并用Ｘ－３５０ Ａ型Ｘ射線應(yīng)力儀沿ｚ方向（水平方向）測量了１４個(gè)點(diǎn)， 兩點(diǎn)之間間隔為0.4ｍｍ（女ＩＩ圖１所示）， 測定了激光沖擊處理熔敷區(qū)后的殘余應(yīng)力， 同時(shí)也測定了激光沖擊前后熔敷區(qū)在５００℃回火處理８、 １６ｈ工藝后的殘余應(yīng)力變化。

余應(yīng)力測試結(jié)果
利用Ｘ３５０Ａ型Ｘ射線應(yīng)力儀對試樣進(jìn)行了Ｘ射線衍射分析， 其Ｘ射線發(fā)射管管電壓２２ ｋＶ，管電流６ ｍＡ， 鉻靶Ｋ特征輻射， 準(zhǔn)直管直徑， １２ｍｍ， ２０掃描步進(jìn)角０． １。 ， 時(shí)間常數(shù)１ Ｓ， 掃描起始角及終止角分別為１２５。 和１３３。 ， 側(cè)傾角緲分別?。啊?、 ４５。 和９０。 。 對于鉻靶Ｋ。 特征輻射， Ｋ２４為（２２２）晶面， Ｘ射線吸收系數(shù)取一2.5× 105ｍ～， 圖２為激光沖擊熔敷區(qū)域某點(diǎn)在側(cè)傾角為0°時(shí)的殘余應(yīng)力測試結(jié)果。

Ｋ２４超合金廣泛用在高溫（600-1200℃）和復(fù)雜應(yīng)力條件下長期工作的關(guān)鍵部件。 測試時(shí)應(yīng)考慮沖擊表面在激光光束掃描方向和與之垂直方向上所受到基材約束狀態(tài)的不同。 在測量試樣表面殘余應(yīng)力時(shí)分別測出側(cè)傾角為0.，45 和90。 三
多個(gè)方向的應(yīng)力值， 由應(yīng)力合成公式可以計(jì)算出主應(yīng)力

圖３為Ｋ２４激光淬火與激光沖擊處理及回火處理后的殘余應(yīng)力分布。 由于Ｘ射線對金屬的穿透深度大約為２０ ｐ． ｍ， 所以試驗(yàn)中測出的應(yīng)力值是在２０肛ｍ層內(nèi)的平均應(yīng)力值。 從試驗(yàn)結(jié)果（見圖３（ａ））可知， Ｋ２４經(jīng)激光淬火后， 在沖擊區(qū)域、 影響區(qū)域、 未沖擊區(qū)域的殘余應(yīng)力以及經(jīng)激光沖擊處理、 經(jīng)激光沖擊回火處理后的殘余應(yīng)力如表３所示。

由圖３（ｂ）可知， Ｋ２４經(jīng)激光淬火后， 在沖擊區(qū)域、 影響區(qū)域、 未沖擊區(qū)域的殘余應(yīng)力以及經(jīng)高溫回火處理、 經(jīng)激光沖擊回火處理后的殘余應(yīng)力如表４所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對材料的疲勞抗力有顯著影響。 殘余應(yīng)力在疲勞載荷中起著平均應(yīng)力的等效作用， 殘余壓應(yīng)力相當(dāng)于負(fù)平均應(yīng)力， 它提高疲勞強(qiáng)度。 殘余拉應(yīng)力相當(dāng)于正平均應(yīng)力， 它降低疲勞強(qiáng)度， 對裂紋長度已經(jīng)超過閾值的已損傷葉片， 可以先采用激光淬火、 激光焊接等修補(bǔ)方式， 然后對修補(bǔ)區(qū)進(jìn)行激光沖擊處理， 由于沖擊區(qū)材料的反作用， 將在沖擊區(qū)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力可以降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)力水平下降， 從而延緩了疲勞裂紋的萌生壽命。 同時(shí)由于殘余壓應(yīng)力的存在， 可引起裂紋的閉合效應(yīng)， 導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動力降低， 因而延長了疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命。

激光淬火后再用激光沖擊的復(fù)合處理技術(shù)與單純激光淬火相比有本質(zhì)的不同， 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
（１）作用機(jī)制不同： 激光淬火后再用激光沖擊強(qiáng)化是利用激光沖擊波的力學(xué)效應(yīng)， 在金屬表面形成高幅值殘余壓應(yīng)力， 從而有效增加疲勞壽命。而激光淬火和焊接是熱效應(yīng)。
（２）殘余應(yīng)力性質(zhì)不同： 激光淬火＋激光沖擊強(qiáng)化形成高幅值表面殘余壓應(yīng)力， 十分有效地延緩了裂紋的擴(kuò)展速度， 激光沖擊損傷的飛機(jī)葉片，材料為Ｔｉ６Ａ１４Ｖ， 葉片進(jìn)氣邊有寬為０． ２ ｍｍ、 長為０． ９ ｍｍ的裂紋。 由于損傷后葉片的疲勞強(qiáng)度下降了４０％， 所以裂紋的長度隨著循環(huán)的次數(shù)增加呈指數(shù)關(guān)系急劇增長， 很快就斷裂。 但經(jīng)過激光沖擊后， 裂紋長度幾乎不隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加， 從而極大地延長了疲勞壽命。 激光淬火和焊接由于熱效應(yīng)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力， 必須有隨后的工序消除殘余拉應(yīng)力， 否則疲勞壽命會急劇下降， 這增添了工序和成本。
（３）環(huán)保性優(yōu)異： 激光復(fù)合處理技術(shù)簡單快捷， 不需要添加任何輔助金屬材料。 即使對易氧化的鈦合金， 激光復(fù)合處理技術(shù)也不需要在密封的充滿惰性氣體的環(huán)境中進(jìn)行， 效率高。 該技術(shù)避免了采用回爐、 冶煉等回收方式時(shí)對環(huán)境的二次污染， 其加工是從已成形的金屬零部件開始， 從而大大減少了零部件初始制造過程對環(huán)境的污染和危害。

結(jié) 論
（１）Ｋ２４超合金經(jīng)激光淬火后再用激光沖擊的復(fù)合處理后， 可以明顯改善處理區(qū)域的殘余應(yīng)力， 有利于提高金屬的表面硬度、 抗磨、 抗腐蝕等機(jī)械性能。
（２）復(fù)合處理對提高Ｋ２４超合金機(jī)械性能效果十分明顯， 其表面殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力， 可以對Ｋ２４超合金直接修復(fù)和再制造， 節(jié)約了直接制造的成本并減少了人維護(hù)人工費(fèi)用， 具有巨大、 潛在的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。