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文 | 阿坊
編輯 | 阿坊
前言
7050鋁合金作為一種高強度超硬鋁，具有較高的比強度、斷裂韌性和疲勞強度等性能，被廣泛用于制造各種航空結構件。然而，随着航空領域對結構件性能要求的不斷提高，對鋁合金性能的改性研究一直是衆多學者關注的重點。
近年來，雷射沖擊（lasershock，LS）作為一種新型的處理工藝，成為了鋁合金表面強化的有效手段。研究表明，材料經雷射沖擊後，不僅在表層形成較高的壓應力，而且材料表層微觀組織得到改善，能顯著提高零部件的服役性能，尤其是抗疲勞性能。
随着低溫技術的發展和材料實驗手段的多樣化，深冷處理從黑色金屬（鋼鐵材料）的研究逐漸延伸到有色金屬以及複合材料。其中，鋁合金的深冷處理研究成為近年來的熱點。有研究表明，将塑性變形與深冷處理相結合的工藝方法，能夠進一步改善材料的綜合性能。是以，采用深冷-雷射沖擊的複合處理方法引起了廣泛的關注。
是以，就讓我們一起來通過實驗研究下雷射沖擊和深冷處理會對7050鋁合金殘餘應力和力學性能産生什麼影響吧。
一.實驗材料與方法
本文實驗材料為軋制态的7050鋁合金，化學成分如表1所示。試樣分别加工成如圖1所示的殘餘應力檢測試樣（圖1（a））和标準拉伸試樣（圖1（b））。對鋁合金試樣進行“雷射沖擊-深冷-補充低溫回火”的複合處理工藝。
采用SGR-Extra-10型雷射強化裝置對試樣進行雷射沖擊，沖擊位置見圖1中的黑色區域，其中钕玻璃脈沖雷射器輸出的雷射波長為1064nm、脈沖寬度為30ns、頻率為0.1Hz，雷射束在強化區域的光斑直徑為準4mm。
雷射沖擊強化前，将鋁箔貼于試樣的待強化表面，用于保護材料表面；在強化位置形成厚度約為1mm的均勻去離子水膜，用于抑制等離子體過分膨脹，提高沖擊波壓力。雷射沖擊能量大小以及沖擊次數分别為15J、（1，3，5次），25J（1次）和30J（1次）。雷射沖擊處理現場和試樣裝夾方式如圖2所示。
采用SLX-30程式控制深冷箱對雷射沖擊後的試樣進行深冷（C）-補充低溫回火（A）處理，詳細工藝為：以2℃/min的降溫速率将試樣冷卻至-190℃，然後将試樣取出後立即浸入液氮中保溫12h，接着再以2℃/min的升溫速率将試樣加熱至120℃并保溫4h，最後将試樣取出空冷至室溫。根據處理工藝的不同，本文實驗分組及相應的編号如表2所示。
采用PRISM型雷射散斑幹涉應力儀測試系統對不同工藝處理後試樣的殘餘應力進行檢測；采用EM-5L顯微硬度計（測量誤差範圍±2%）測試不同工藝處理後試樣的顯微硬度（在殘餘應力檢測試樣上進行）；采用MTS-SANSCMT5000型電子萬能拉伸實驗機測試不同工藝處理後試樣的拉伸性能。
顯微硬度和拉伸測試結果均取3個試樣的平均值作為最終結果。試樣經不同工藝處理後，在殘餘應力檢測試樣的雷射沖擊區域制取10mm×10mm×5mm的小試樣，對垂直于雷射沖擊面的微觀組織進行表征。試樣分别經400、600、800、1000、1500、2000目砂紙研磨後，進行機械抛光處理，然後将抛光面浸入新配的浸蝕劑（2vol%HF+3vol%HCl+5vol%HNO3+190vol%蒸餾水H2O）中腐蝕30s。
最後，分别在光學顯微鏡（OM）和掃描電鏡（SEM）下表征經不同工藝處理後的試樣微觀組織變化。
二.殘餘應力
為探索深冷處理以及補充低溫回火對雷射沖擊處理後的鋁合金表面殘餘應力的影響，對比了原始态（UL-UC）、雷射沖擊處理（L-UC）、雷射沖擊處理後隻進行深冷處理（L-C）以及雷射沖擊處理後進行深冷處理和補充低溫回火處理（L-CA），這4種不同狀态的鋁合金表面殘餘應力分布，結果如圖3所示。
可以看到，原始态試樣的殘餘應力随深度分布較為均勻，且在數值上接近0MPa。這是由于試樣經過長達60個月的自然時效，是以材料的殘餘應力釋放比較均勻，這也從側面上反映應力檢測結果的準确性。
經過雷射沖擊後，試樣表面的壓應力明顯增加，且壓應力的極值出現在深度為0.2mm處，約為-260MPa。然而，雷射沖擊後進行深冷-補充低溫回火處理能夠降低試樣表面的壓應力，其中深度為0.2mm處的壓應力極值約為-200MPa。
可見，增加深冷-低溫回火處理後表面壓應力減小約23%。随着深度的增加，試樣内部的壓應力水準略低于單一雷射沖擊的試樣。該結果說明雷射沖擊後進行深冷-補充低溫回火處理，能夠釋放7050鋁合金雷射沖擊處理後表面的壓應力。
然而，雷射沖擊後進行單一的深冷處理對試樣表面的殘餘應力分布影響較小。當雷射沖擊能量大小為15J時，研究不同沖擊次數對7050鋁合金試樣殘餘應力分布的影響，結果如圖4所示。
可以看到，相比于單次和5次雷射沖擊，3次雷射沖後試樣表面的壓應力值較高，且應力層深度更大。這說明雷射沖擊次數對7050鋁合金試樣表面的殘餘壓應力的影響并非線性增大。由于材料的塑性變形程度有限，是以針對表面壓應力，存在最佳的雷射沖擊次數。
值得關注的是，雖然補充低溫回火處理會降低試樣雷射沖擊後的表面壓應力，然而通過調整雷射沖擊次數，依然能夠使表面壓應力達到較高水準。
在本文研究中，3次雷射沖擊後進行深冷-補充低溫回火處理，試樣表面的最大壓應力值(0.2mm處)約為230MPa，與單一雷射沖擊的最大壓應力值260MPa較為接近。7050鋁合金試樣經不同能量的雷射沖擊後，殘餘應力随深度的變化見圖5。
可看到，在深度為0.2mm處，試樣表面的壓應力随着能量大小的增大而提高。然而，随着深度的增加，30J沖擊後試樣内部的壓應力比能量大小較低時略小。其中，當能量大小為25J時，不論是在試樣表面還是内部，都具有較高的殘餘壓應力。總體看來，一定範圍内的能量大小對雷射沖擊表面殘餘應力的影響相對較小。
三.顯微硬度
雷射沖擊後進行深冷-補充低溫回火處理對7050鋁合金試樣顯微硬度的影響如圖6所示。整體上看，雷射沖擊後是否進行深冷-補充低溫回火處理對顯微硬度數值的影響并不大。然而，與單一的雷射沖擊相比，試樣經雷射沖擊-深冷-補充低溫回火處理後顯微硬度随檢測深度的變化波動明顯減小。
該結果說明：雷射沖擊後進行深冷-補充低溫回火處理能夠使鋁合金表面和基體的硬度均勻化，進而提高材料的整體性能。
四.拉伸性能
圖7為15J雷射沖擊對7050鋁合金拉伸性能的影響。其中，7050鋁合金試樣經15J雷射沖擊後的拉伸強度如圖7（a）所示，其中圖7（b）為試樣拉伸時的應力-應變曲線。由圖7（a）可看出，與未雷射沖擊相比，試樣經雷射沖擊後的抗拉強度和屈服強度均有所提高。
增加深冷處理後抗拉強度進一步提高，而增加深冷-補充低溫回火處理，抗拉強度、屈服強度沒有發生明顯變化。此外，試樣經雷射沖擊後的伸長率下降明顯，且增加深冷處理會使伸長率進一步降低。
微觀組織由殘餘應力和力學性能的實驗結果可知，雷射沖擊後進行深冷處理能夠進一步提高鋁合金試樣的拉伸強度，同時對表面殘餘應力的影響較小。
是以，本文選取單一雷射沖擊和雷射沖擊後進行深冷處理兩種工藝進行微觀組織的對比。不同工藝處理後7050鋁合金試樣的金相組織如圖8所示。
由圖8（a）可知，試樣原始組織（軋制态）由基體相以及第二相顆粒組成。經過雷射沖擊深冷處理後，試樣微觀組織表現出明顯的梯度結構，其近表面出現寬度約為500μm的塑性變形層，而基體組織變化不明顯（圖8（c））。
由材料應變和應力的關系可知，塑性變形引起的體積收縮會在微觀組織中産生較大的壓應力，是以雷射沖擊後試樣表面壓應力顯著增大。高度的壓應力和塑性變形有利于位錯增殖，且位錯密度随着深冷處理保溫時間的延長而增多，并以纏結的方式存在于鋁合金的微觀組織當中。
此外，在變形層中還發現大量細化的晶粒。新增的晶界會促使缺陷的形成，是以變形時阻礙位錯通過的能力增強，進而使雷射沖擊後7050鋁合金試樣的拉伸強度提高。為了進一步研究微觀組織的變化，采用掃描電鏡進行表征。
圖9為不同工藝處理後7050鋁合金試樣的SEM組織。對比圖9（a)、（b）可知，雷射沖擊後進行深冷處理能夠加劇鋁合金試樣的表面塑性變形，且靠近基體的區域也表現出一定的變形。此外，相比于單一雷射沖擊，增加深冷處理使得微觀組織中的缺陷明顯增多。
這是由低溫下鋁合金塑性變形抗力降低所導緻的。對特征區域進行局部放大，如圖9（c）、（d）所示。可以看到，雷射沖擊後增加深冷處理使得微觀組織中出現微細的亞晶界，說明晶粒得到進一步細化，是以鋁合金強度提高。
五.結論
1.雷射沖擊能夠顯著提高7050鋁合金的表面壓應力，雷射沖擊處理後單獨進行深冷處理對試樣的殘餘應力影響較小，然而深冷處理與補充低溫回火相結合對表面壓應力有一定的釋放效應。3次雷射沖擊處理能夠彌補單次雷射沖擊後進行深冷和補充低溫回火處理對表面壓應力的釋放。
2.7050鋁合金經“雷射沖擊-深冷-補充低溫回火”複合工藝處理後，基體與表面之間的硬度波動減小，材料整體硬度得到均勻化，但對強度沒有産生明顯的影響。但雷射沖擊處理後僅做深冷處理能夠提高7050鋁合金的強度。
3.雷射沖擊使7050鋁合金表層發生明顯塑性變形，進而提高表面壓應力。增加深冷處理後，材料表層變形程度加劇，亞晶界增多、晶粒得到細化。是以，經該工藝處理後7050鋁合金的強度最高。