激光噴丸對(duì)塊體非晶合金微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響.pdf

1、非晶合金由于具有高耐磨、耐蝕性、高彈性極限、高強(qiáng)度以及優(yōu)良的磁性能等優(yōu)點(diǎn)，因而在多種領(lǐng)域均具有十分廣闊的應(yīng)用前景。然而，非晶合金由于其獨(dú)特的短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)，致使其在室溫下的宏觀塑性近乎為零，成為制約其成形制造以及的工程應(yīng)用關(guān)鍵瓶頸。因此，如何改善非晶合金的室溫塑性已經(jīng)成為材料研究領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。本文實(shí)驗(yàn)采用Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(vit1)塊體非晶合金，開(kāi)展了激光噴丸熱效應(yīng)、激光噴丸沖擊

2、力效應(yīng)，以及激光噴丸熱/力效應(yīng)對(duì)非晶合金表面形貌、微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能和耐腐蝕性的影響等研究工作。主要結(jié)論如下:
　　(1)首先研究了熱效應(yīng)為主的單點(diǎn)激光噴丸對(duì)非晶合金表面形貌的影響，探討了激光與非晶合金相互作用的過(guò)程和機(jī)理，通過(guò)表面張力波理論、Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性機(jī)制以及Saffman-Taylor不穩(wěn)定性理論對(duì)噴丸邊緣區(qū)域形成的的周期性波紋以及指化現(xiàn)象進(jìn)行了理論解釋;其次研究了圓環(huán)結(jié)構(gòu)直徑和波紋間距隨激

3、光能量、脈沖次數(shù)的演變情況。研究結(jié)果表明，圓環(huán)結(jié)構(gòu)的直徑隨著激光能量和脈沖次數(shù)的增加近似呈線性增大，但脈沖次數(shù)大于10后圓環(huán)結(jié)構(gòu)的直徑增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩。波紋間距不隨激光能量的大小而改變，但隨著脈沖次數(shù)的增加逐漸增大。當(dāng)能量為600 mJ，脈沖次數(shù)為200時(shí)，在噴丸區(qū)域還形成大量無(wú)規(guī)則分布的微裂紋。
　　(2)系統(tǒng)研究了沖擊力效應(yīng)為主的單點(diǎn)激光噴丸對(duì)非晶合金表面完整性的影響。首先研究了激光噴丸對(duì)非晶合金表面微觀組織結(jié)構(gòu)、光學(xué)形貌和粗糙度

4、的影響，并對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行了分析;其次研究了激光噴丸對(duì)非晶合金硬度的影響，分析了硬度變化的原因;最后對(duì)激光噴丸后非晶合金的表面微裂紋/剪切帶及其形成機(jī)制進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，非晶合金在激光噴丸處理后仍然保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，但噴丸區(qū)域形成一個(gè)圓形微凹坑，且表面粗糙度增大，原因在于激光噴丸時(shí)形成的沖擊波壓力遠(yuǎn)高于材料彈性極限，并且激光能量不均和吸收層表面的不平整，造成沖擊波壓力不均勻。隨著噴丸過(guò)程中激光能量的增加，非晶合金表面微凹坑的直徑

5、和深度也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，同時(shí)表面粗糙度也越高。激光噴丸區(qū)域硬度降低，且噴丸中心區(qū)域硬度減小幅度最大，約為13％，分析表明激光噴丸塑性變形區(qū)域內(nèi)形成的大量剪切，由于應(yīng)變軟化導(dǎo)致非晶合金硬度降低。在激光噴丸誘導(dǎo)的高壓沖擊波作用下，非晶合金試樣表面的剪切帶/微裂紋是通過(guò)孔洞的連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　(3)系統(tǒng)研究了多點(diǎn)激光噴丸對(duì)非晶合金微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響規(guī)律。首先分析了等腰直角搭界方式下不同橫向搭接率對(duì)非晶合金表面粗糙度的影

6、響;其次，采用優(yōu)化的工藝參數(shù)對(duì)非晶合金進(jìn)行激光噴丸處理，研究了激光噴丸前后非晶合金微觀組織結(jié)構(gòu)的變化;最后通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、單向壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了激光噴丸對(duì)非晶合金室溫塑性的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)橫向搭接率為29.3％時(shí)，激光噴丸后試樣表面粗糙度最小。多點(diǎn)激光噴丸后，非晶合金仍然保持非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，但在非晶合金內(nèi)產(chǎn)生了大量的自由體積。激光噴丸處理后非晶合金在三點(diǎn)彎曲過(guò)程中塑性變形撓度增大了1.83倍，分析表明塑性的增強(qiáng)得益于激光噴丸后非晶合

7、金自由體積的增大，在后續(xù)變形中更易生成多重剪切帶。單向壓縮實(shí)驗(yàn)表明激光噴丸非晶試樣具有明顯的尺寸效應(yīng)，小尺寸塊體非晶合金試樣具有更高的壓縮強(qiáng)度和更優(yōu)異的塑性。
　　(4)系統(tǒng)研究了多點(diǎn)激光噴丸熱/力效應(yīng)對(duì)非晶合金微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。首先通過(guò)無(wú)吸收層激光噴丸(Laser shock peening without coating，LSPwC)工藝對(duì)非晶合金試樣表面進(jìn)行噴丸處理，并對(duì)LSPwC處理后非晶合金表面的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行

8、了分析;其次研究了LSPwC處理后非晶合金的室溫塑性;分析了激光噴丸熱/力效應(yīng)對(duì)非晶合金塑性影響的機(jī)制;最后研究了LSPwC處理后非晶合金的納米硬度和耐蝕性。研究結(jié)果表明，LSPwC處理后非晶合金表面仍保持非晶特質(zhì)，但在非晶合金熔融表層120μm以下檢測(cè)到分布均勻的晶化相。LSPwC處理后非晶合金塑性撓度增加了23％，分析表明在彎曲變形過(guò)程由LSPwC引起的非晶合金自由體積的增大、晶化相的產(chǎn)生以及表層復(fù)雜分布的殘余應(yīng)力使得非晶合金的塑性