齒輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的附件傳動(dòng)部件，復(fù)雜的工作環(huán)境對(duì)其表面抗疲勞和耐磨性能要求較高。通常零件的磨損性能受表面狀態(tài)影響，硬度作為衡量材料表面狀態(tài)的綜合性能指標(biāo)，提高零件表面硬度對(duì)耐磨性能有重要意義。在材料表面或次表面上引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，一定程度上可以控制裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展，延長零件疲勞壽命。激光沖擊強(qiáng)化是利用短脈沖激光誘導(dǎo)沖擊波，在金屬零件表面引入殘余壓應(yīng)力場(chǎng)提升零件疲勞壽命的表面處理技術(shù)。同時(shí)激光沖擊強(qiáng)化過程產(chǎn)生的劇烈塑性變形也會(huì)提升材料表面硬度，進(jìn)而提升零件耐磨性能。
近 20 年，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光沖擊強(qiáng)化工藝的有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了廣泛研究。對(duì)于激光沖擊強(qiáng)化有限元數(shù)值模擬的研究分為兩個(gè)方面。一是如何獲得穩(wěn)定和準(zhǔn)確的有限元數(shù)值模擬結(jié)果，Zhou 等研究激光沖擊強(qiáng)化模擬中網(wǎng)格尺寸對(duì)殘余應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分布的影響。二是利用有限元數(shù)值模擬方法，研究激光沖擊強(qiáng)化的激光參數(shù)、涂覆層結(jié)構(gòu)、加工路徑等技術(shù)參數(shù)對(duì)強(qiáng)化效果的影響。Kim 等提出一種激光沖擊強(qiáng)化有限元方法，討論了求解時(shí)間、穩(wěn)定極限、動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力、峰值壓力、壓力脈沖持續(xù)時(shí)間、激光光斑尺寸等多個(gè)激光沖擊強(qiáng)化有限元數(shù)值模擬參數(shù)對(duì)強(qiáng)化效果的影響。目前，激光沖擊強(qiáng)化工藝有限元數(shù)值模擬多以替代實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工藝參數(shù)影響規(guī)律研究為目的，降低實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間。通常為了保證工藝參數(shù)準(zhǔn)確，有限元數(shù)值模擬優(yōu)化的激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)仍需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)綜合驗(yàn)證。
由于激光光束橫截面一般為圓形光斑，待激光沖擊強(qiáng)化區(qū)域面積通常遠(yuǎn)大于光斑直徑，為此在激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，激光光斑需要在待強(qiáng)化區(qū)域進(jìn)行多次沖擊，這需要對(duì)激光光斑間搭接、激光能量、沖擊次數(shù)等激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案進(jìn)行研究。在激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案的實(shí)驗(yàn)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者主要研究激光光斑間搭接、激光能量等對(duì)材料表面粗糙度、硬度、疲勞性能、磨損性能等完整性指標(biāo)的影響。Salimianrizi 等用實(shí)驗(yàn)方法研究光斑搭接率對(duì)材料表面粗糙度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，搭接率從 20%增加到 50%，表面粗糙度降低，由于多次激光照射，導(dǎo)致材料表面燒蝕，搭接率增加到 70%時(shí)，表面粗糙度急劇增加。Peng 等通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得 9310 鋼齒輪經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的彎曲疲勞性能，發(fā)現(xiàn)激光沖擊強(qiáng)化可以在齒輪根圓角上產(chǎn)生理想的殘余應(yīng)力分布，當(dāng)激光能量為 7 J 時(shí)，表面壓應(yīng)力高達(dá) 682.2 MPa，齒輪彎曲疲勞極限提高 8.3%。Pavan 等對(duì)激光沖擊殘余應(yīng)力場(chǎng)中疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究，結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化在試樣中形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，裂紋生長速率顯著降低，材料的疲勞壽命提高 4 倍。Trdan 等研究發(fā)現(xiàn)，具有最佳工藝參數(shù)的激光沖擊強(qiáng)化降低摩擦因數(shù)和磨損速率，從而降低附著力和磨損度。Arpith 等研究激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)對(duì)摩擦因數(shù)和表面硬度的影響。摩擦因數(shù)隨激光能量增加而降低，直至達(dá)到閾值強(qiáng)度，此后隨激光能量增加而增加;表面硬度隨激光能量增加而增大，直至達(dá)到飽和。對(duì)較高強(qiáng)度齒輪鋼材料的激光沖擊強(qiáng)化，雖然可通過提高激光能量方式獲得更大表面殘余壓應(yīng)力，但高激光能量會(huì)導(dǎo)致材料表面形貌發(fā)生較大變化。因此，如何在適當(dāng)?shù)募す饽芰肯拢ㄟ^改變激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案，使表面殘余壓應(yīng)力與表面形貌達(dá)到最佳狀態(tài)，這對(duì)較高強(qiáng)度材料的激光沖擊強(qiáng)化工藝研究尤為重要。由于疲勞和耐磨性能與激光沖擊強(qiáng)化后材料的殘余應(yīng)力場(chǎng)和硬度密切相關(guān)，因此，開展激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案對(duì)強(qiáng)化后材料殘余應(yīng)力和顯微硬度影響的研究，為后續(xù)疲勞和耐磨性能評(píng)價(jià)提供具有應(yīng)用價(jià)值的指導(dǎo)。
本工作對(duì) 9310 齒輪鋼的激光沖擊強(qiáng)化工藝進(jìn)行有限元數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，提出一種 4 層搭接激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案，探討激光沖擊強(qiáng)化加工路徑參數(shù)(包括激光能量和沖擊次數(shù))對(duì) 9310 齒輪鋼表面力學(xué)性能的影響。采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)激光沖擊強(qiáng)化光斑搭接方案的殘余應(yīng)力空間分布特征進(jìn)行分析。采用實(shí)驗(yàn)方法，研究激光能量和沖擊次數(shù)對(duì) 9310 齒輪鋼殘余應(yīng)力和顯微硬度的影響。該研究對(duì)較高強(qiáng)度齒輪鋼的激光沖擊強(qiáng)化工藝設(shè)計(jì)具有借鑒意義。
1、數(shù)值模擬研究
模型和參數(shù)設(shè)置
有限元模型幾何尺寸如圖 1(a)所示，整體尺寸為 15 mm×15 mm 的正方形，厚度為 4 mm。其中，中間區(qū)域設(shè)置成有限單元網(wǎng)格，尺寸大小為 10 mm×10 mm，為了防止應(yīng)力波在界面處反射，與有限單元連接部分設(shè)為無限單元，有限單元與無限單元區(qū)域劃分如圖 1(b)所示。
激光光束直徑由激光器和光路系統(tǒng)決定，本激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)中，激光光束直徑約為 3 mm。對(duì)于圓柱形激光光束，當(dāng)光束垂直照射到平面上，光斑形狀為圓形;當(dāng)光束傾斜照射到平面上，光斑形狀為橢圓形;當(dāng)光束照射到曲面上，光斑形狀為空間曲線。本工作采用 5 J 激光能量的激光光束垂直單次沖擊 9310 齒輪鋼試樣，試樣表面留下直徑約為 2.2 mm 的可見圓形痕跡(即發(fā)生塑性變形的圓形區(qū)域直徑)。因此，后續(xù)有限元數(shù)值模擬和激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)中，激光光斑的搭接率為直徑 2.2 mm 的圓形痕跡的搭接率。
在有限元數(shù)值模擬過程中無法直接定義激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力載荷，本工作通過 Abaqus 軟件子程序接口 vdload 定義沖擊波壓力載荷的空間分布和時(shí)間演化。將激光光束誘導(dǎo)的沖擊波轉(zhuǎn)換為 施加在材料表面的圓形壓力載荷，由圓心向邊緣的壓力載荷空間分布滿足高斯分布規(guī)律，且該空間壓力隨著時(shí)間變化。根據(jù) Fabbro 等研究結(jié)果，激光誘導(dǎo)的沖擊波作用時(shí)間大約為激光脈寬的 2～3 倍，甚至更長。激光沖擊強(qiáng)化壓力也隨空間變化，即激光沖擊時(shí)壓力是時(shí)間和空間的函數(shù)，激光沖擊強(qiáng)化壓力沿光斑徑向的變化按式(1)計(jì)算：
式中：R0 為激光束半徑;r 為該空間位置到激光束中心的距離;P(t) 為壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系。
有限元數(shù)值模擬中壓力隨時(shí)間變化曲線如圖 2 所示，該幅值曲線為本工作所用激光沖擊強(qiáng)化的激光器參數(shù)，即與實(shí)驗(yàn)所用激光器參數(shù)一致。圖 2 中幅值曲線與峰值壓力 P0 的乘積為壓力隨時(shí)間的變化關(guān)系 P(t)。
Johnson-Cook(JC)模型是最為常用的反映材料動(dòng)態(tài)性能的本構(gòu)模型，國內(nèi)外關(guān)于高速?zèng)_擊、爆炸沖擊、彈丸侵徹等大應(yīng)變率的仿真均廣泛采用此模型。對(duì)于激光沖擊強(qiáng)化這種大應(yīng)力大應(yīng)變率的行為，JC 模型是適用的，JC 模型流動(dòng)應(yīng)力如式(2)所示：
式中：A，B，n 和 C 為 JC 模型 4 個(gè)材料參數(shù)，其中 A 是屈服應(yīng)力，B 與 n 表示加工硬化效應(yīng)，C 表示應(yīng)變速率效應(yīng)。有限元數(shù)值模擬 9310 齒輪鋼的 JC 本構(gòu)模型材料參數(shù)為：A=1102 MPa，B=1064 MPa， n=0.2，C=0.01。
多點(diǎn)激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案
為獲得均勻的材料表面力學(xué)性能，需對(duì)激光沖擊強(qiáng)化加工路徑進(jìn)行規(guī)劃。由于激光光束為圓柱形，且光束的能量分布為中心區(qū)域能量強(qiáng)、邊緣部分能量弱的高斯分布。為使其盡量均勻覆蓋被沖擊材料表面，需在多次沖擊強(qiáng)化之間進(jìn)行沖擊區(qū)域的搭接。圖 3 為本工作提出的激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案。根據(jù)試樣的幾何特征定義直角坐標(biāo)系 xyz，其中 oxy 面與待強(qiáng)化表面重合，z 軸垂直于待強(qiáng)化表面，激光光束垂直于待強(qiáng)化表面。
對(duì)被沖擊區(qū)域的強(qiáng)化需要進(jìn)行 4 層沖擊覆蓋，第 1 層沖擊按照?qǐng)D 3(a)所示，其中 1、2、3 和 4 表示激光沖擊強(qiáng)化順序，即先對(duì)位置 1 進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，之后激光光束沿著 y 軸正向移動(dòng)一個(gè)光斑直徑(2.2 mm)距離，再對(duì)位置 2 進(jìn)行強(qiáng)化，依次進(jìn)行。在第 2 層沖擊中，其光斑的移動(dòng)路徑與第 1 層相同，唯一區(qū)別在于起始點(diǎn)位置相對(duì)于第 1 層起始點(diǎn)來說，光斑沿著 y 軸正向偏移光斑半徑距離。類似地，第 3 層與第 4 層沖擊中，光斑移動(dòng)路徑與上一層均相同，區(qū)別還是在于起始點(diǎn)偏移光斑半徑距離。
2、實(shí)驗(yàn)研究
實(shí)驗(yàn)材料
本工作以 9310 齒輪鋼為實(shí)驗(yàn)材料，熱處理狀態(tài)為正火與回火相結(jié)合，9310 齒輪鋼熱處理后基本力學(xué)性能為：彈性模量 E=207 GPa，泊松比 v=0.3，密度 ρ=7.84 g/cm3 ，抗拉強(qiáng)度 σb≥1079 MPa。圖 4 為 9310 齒輪鋼熱處理后的微觀組織，可以看出，熱處理后 9310 齒輪鋼的組織由大量白色鐵素體、少量分布鐵素體之間的低碳馬氏體和呈顆粒狀分布在晶界和晶內(nèi)的碳化物組成。
實(shí)驗(yàn)條件
激光沖擊強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)在西安天瑞達(dá)光電有限公司進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖 5 所示。實(shí)驗(yàn)在 YD60- M165 設(shè)備系統(tǒng)上進(jìn)行，該系統(tǒng)主要由高性能脈沖激光器、控制系統(tǒng)、水約束系統(tǒng)、吸收保護(hù)層及監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中激光器為 Nd：YAG 型高能激光器，能量呈高斯分布，沖擊強(qiáng)化過程中激光束處于固定狀態(tài)，多自由度機(jī)械臂可以控制夾持試樣連續(xù)移動(dòng)，按照規(guī)劃路徑實(shí)現(xiàn)整個(gè)強(qiáng)化過程。采用水作為吸收保護(hù)層，防止 9310 齒輪鋼表面在強(qiáng)化時(shí)與高能激光直接接觸。本工作采用 3、4 J 和 5 J 三種激光能量對(duì) 9310 齒輪鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激光脈寬 20 ns，波長 1064 mm，光斑搭接率(光斑搭接距離與光斑半徑比率)為 50%，激光能量為 5 J 時(shí)，光斑直徑為 2.2 mm，即圖 3 中第 2 層相對(duì)第 1 層平移50% 的沖擊強(qiáng)化痕跡直徑為 2.2 mm。
按照 1.2 節(jié)的激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案，1 次沖擊，共計(jì) 4 層 16 個(gè)沖擊點(diǎn)(圖 3)。若進(jìn)行 3 次沖擊，相當(dāng)于對(duì)同一個(gè)區(qū)域進(jìn)行 3 次 16 個(gè)點(diǎn)沖擊，即對(duì)被強(qiáng)化區(qū)域完成 48 個(gè)點(diǎn)沖擊。
表面殘余應(yīng)力及顯微硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)
表面殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)使用 Proto LXRD 型 X 射線應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試試樣強(qiáng)化前后殘余應(yīng)力，采用同傾固定測(cè)量方法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定。選用 Cr 材料作為靶頭，設(shè)定 X 管電壓為 25 kV，電流為 25 mA，掃描步距為 0.1°，采集時(shí)間為 1 s，準(zhǔn)直管直徑為 2 mm。
采用 HXD-1000TMC/LCD 型顯微硬度計(jì)測(cè)試 9310 齒輪鋼橫截面由表及里的顯微硬度分布，該硬度計(jì)將金剛石壓頭的壓痕成像在計(jì)算機(jī)屏幕上，實(shí)驗(yàn)加載 500 g，保載時(shí)間 15 s，每 0.1 mm 測(cè)量 3 次，計(jì)算平均值作為硬度值。
3、結(jié)果與分析
數(shù)值模擬結(jié)果與分析
從零件全生命周期來看，激光沖擊強(qiáng)化工藝的作用主要是在不影響零件使用功能的前提下，盡可能提高零件疲勞壽命。一般認(rèn)為，表面狀態(tài)變量如表面殘余應(yīng)力、顯微硬度等這些中間變量較好，即殘余應(yīng)力分布越均勻、殘余壓應(yīng)力越大、表面硬度越高，零件疲勞壽命越好。激光沖擊強(qiáng)化后材料表面狀態(tài)的評(píng)價(jià)可采用有限元數(shù)值模擬方法，也可采用實(shí)驗(yàn)方法研究。本工作對(duì)殘余應(yīng)力分布均勻情況研究采用有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)殘余壓應(yīng)力大小和顯微硬度研究采用實(shí)驗(yàn)方法。有限元數(shù)值模擬的目的是評(píng)估采用的激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案形成的表面殘余應(yīng)力場(chǎng)空間分布是否均勻 。圖 6(a)為等效塑性應(yīng)變分布情況，圖 6(b)和(c)為應(yīng)力分量的表面和空間分布情況?？梢钥闯觯刃苄詰?yīng)變分布和應(yīng)力分布存在一定程度數(shù)值波動(dòng)，但總體上相對(duì)均勻。對(duì)于空間應(yīng)力分布，實(shí)驗(yàn)測(cè)試涉及材料的剝離問題以及剝離過程中殘余應(yīng)力釋放，獲得完整空間應(yīng)力分布需要較大實(shí)驗(yàn)量。采用數(shù)值模擬方法，可在較少時(shí)間成本下獲得激光沖擊強(qiáng)化加工路徑方案的應(yīng)力空間分布規(guī)律。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
不同激光能量對(duì)試樣表面殘余應(yīng)力影響情況如圖 7 所示，其中縮寫 3JT1、4JT1 和 5JT1 分別代表激光能量為 3、4 J 和 5 J，沖擊強(qiáng)化 1 次。從圖 7 中可以看出，基體材料表面殘余壓應(yīng)力為–32 MPa，這可能來源于試樣機(jī)械加工過程。激光沖擊強(qiáng)化后，激光能量 3、4 J 和 5 J 對(duì)應(yīng)的表面殘余壓應(yīng)力分別為–279、–318 MPa 和–333 MPa，隨著激光能量增加，表面殘余壓應(yīng)力也隨之增大。激光能量從 3 J 增加到 4 J，表面殘余壓應(yīng)力增加 13.9%;而激光能量從 4 J 增 加到 5 J，表面殘余壓應(yīng)力僅增加 4.7%。
圖 8 為不同激光能量沖擊材料表面的顯微硬度分布圖。通過對(duì)比圖 8 所示的激光沖擊強(qiáng)化前后試樣的顯微硬度可以發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強(qiáng)化后，試樣表層顯微硬度最大，經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后，試樣 表層顯微硬度得到明顯提高。9310 齒輪鋼基體的顯微硬度為 244.5HV，當(dāng)激光能量為 3、4 J 和 5 J 時(shí)，試樣經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化后顯微硬度分別提高到 275.6、288.2HV 和 294.8HV，比基體試樣分別提高了 12.7%、17.9% 和 20.6%。當(dāng)激光能量從 3 J 增加 到 4 J 時(shí)，表層顯微硬度提高了 4.5%;當(dāng)激光能量從 4 J 增加到 5 J 時(shí)，表層硬度則僅提高了 2.2%，顯微硬度增大和激光能量增加表現(xiàn)出非線性相關(guān)的特征，這與殘余壓應(yīng)力的情況相類似。由圖 8 可以看出，顯微硬度在 200 μm 深度處出現(xiàn)迅速下降的情況。當(dāng)激光能量為 3 J 時(shí)，在 500 μm 深度處獲得與基體相等的顯微硬度。在激光能量為 4 J 和 5 J 時(shí)，也觀察到類似的變化趨勢(shì)，顯微硬度影響層深度達(dá)到 600 μm。
選定激光能量為 5 J，光斑搭接率為 50%，光斑直徑為 2.2 mm，討論激光沖擊次數(shù)分別為 1、2 次和 3 次時(shí)對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)和顯微硬度的影響。圖 9 顯示不同激光沖擊強(qiáng)化次數(shù)下材料表面殘余應(yīng)力分布的情況，其中縮寫 5TJ1、5TJ2 和 5TJ3 分別代表激光沖擊次數(shù)為 1、2 次和 3 次，激光能量為 5 J。從圖 9 中可以得到，基體材料表面殘余應(yīng)力為–32 MPa，試樣經(jīng)過激光沖擊強(qiáng)化，激光沖擊次數(shù)為 1、2 次和 3 次時(shí)，對(duì)應(yīng)的表面殘余壓應(yīng)力分別為–333、–367 MPa 和–386 MPa，沖擊次數(shù)從 1 次增加到 2 次時(shí)，殘余壓應(yīng)力提高 10.2%，沖擊次數(shù)從 2 次增加到 3 次，殘余壓應(yīng)力則僅提高了 5.1%。這是由于齒輪鋼的彈性模量和屈服強(qiáng)度較大，隨著激光沖擊次數(shù)增加，材料更容易發(fā)生硬化現(xiàn)象，使得 材料難以發(fā)生塑性變形。因此，殘余壓應(yīng)力值不會(huì)隨著激光沖擊次數(shù)增加而一直增大，而表現(xiàn)出飽和趨勢(shì)。
圖 10 給出了不同次數(shù)激光沖擊強(qiáng)化 9310 齒輪鋼試樣在不同深度的顯微硬度值。由圖 10 可以看出，當(dāng)激光沖擊試樣次數(shù)為 1、2 次和 3 次時(shí)，表面顯微硬度值分別為 294.8、299.1HV 和 306.1HV，比基體試樣分別提高了 20.6%、22.3% 和 25.2%。經(jīng)過激光沖擊的試樣直到 600 μm 深度處顯微硬度均高于未強(qiáng)化試樣，這說明激光沖擊強(qiáng)化的影響深度達(dá) 600 μm;隨著沖擊次數(shù)的增加，硬度值隨之增大，影響的深度也增加;當(dāng)激光沖擊試樣 3 次時(shí)，最大硬度要高于其他沖擊次數(shù)，但是增加沖擊次數(shù)對(duì)影響層深度影響不明顯。這是由于激光沖擊強(qiáng)化后 9310 齒輪鋼產(chǎn)生明顯的硬化現(xiàn)象，沖擊次數(shù)越多，產(chǎn)生硬化效果越明顯，表現(xiàn)出飽和趨勢(shì)。
4、結(jié)論
(1)采用有限元數(shù)值模擬方法，定義有限元模型幾何尺寸與區(qū)域劃分，確定激光光束能量空間分布隨空間變化關(guān)系，得到有限元數(shù)值模擬中壓力隨時(shí)間變化曲線，最終確定激光沖擊強(qiáng)化加工路徑 方案。
(2)激光能量為 3、4 J 和 5 J 沖擊 1 次時(shí)，9310 齒輪鋼表面殘余壓應(yīng)力分別為–279、–318 MPa 和 –333 MPa;激光能量為 5 J 沖擊 2 次和 3 次時(shí)表面殘余壓應(yīng)力分別為–367 MPa 和–386 MPa。隨著激光能量和沖擊次數(shù)的增加，表面殘余壓應(yīng)力也隨之 增大，但增加幅度減少。
(3)9310 齒輪鋼表面顯微硬度為 244.5HV，激光能量為 3、4 J 和 5 J 時(shí)，激光沖擊強(qiáng)化后表面顯微硬度分別提高到 275.6、288.2HV 和 294.8HV，比基體試樣分別提高 12.7%、17.9% 和 20.6%。沖擊 1、2 次 和 3 次表面顯微硬度值分別為 294.8、 299.1HV 和 306.1HV，比基體試樣分別提高 20.6%、 22.3% 和 25.2%，表現(xiàn)出與殘余壓應(yīng)力相似的增長幅度。
參考文獻(xiàn)略.