通过电脉冲处理快速缓解激光焊接航空航天合金的残余应力

《Journal of Manufacturing Processes》：Rapid bulk residual stress relief of laser-welded aerospace alloys by electropulsing treatment

　　摘要
残余应力消除是许多行业中必不可少的过程，尤其是在航空航天领域。目前，航空航天零件的应力消除通常采用真空炉热处理方法，这通常需要几个小时。本研究探讨了电脉冲处理（EPT）作为一种新型的快速批量残余应力消除方法。通过中心孔钻探（CHD）方法评估了EPT在消除激光焊接Ti-6Al-4V和Inconel 718合金的批量拉应力残余应力方面的有效性。结果表明，EPT在快速消除这两种合金的批量残余应力方面非常有效。在大约9分钟的总处理时间内，初始拉应力残余应力中有超过95%得到了消除。重要的是，扫描电子显微镜（SEM）观察到的微观结构变化不明显，而微观硬度的减少较小，并且处理后拉伸性能没有变化。对于实际工程应用而言，这种微观硬度的减少并不显著。这些发现表明，EPT作为一种快速且局部的应力消除技术，在航空航天组件的后处理和修复应用中具有巨大潜力。

引言
残余应力是导致工程部件过早失效的最常见原因之一。它是材料在焊接、机械加工、热处理和增材制造等制造过程后仍然存在的内部应力。残余应力，特别是拉应力残余应力，会显著损害结构完整性，导致变形、裂纹产生和疲劳寿命降低。在航空航天工业中，结构完整性和疲劳耐久性至关重要，因此必须仔细控制并最小化残余应力。因此，应力消除是航空航天组件的关键后处理步骤。
准确的残余应力表征对于评估应力消除处理的有效性至关重要。目前的测量方法包括基于衍射的技术，如X射线和中子衍射，以及机械应力松弛技术，如增量孔钻探和轮廓法[1]、[2]、[3]。X射线衍射特别适用于近表面残余应力的测量，而增量孔钻探通过测量连续材料去除过程中释放的应变来实现深度分辨的残余应力评估[1]、[2]。轮廓法通过在组件横截面上对残余应力进行二维映射提供了补充信息[3]。最近的发展通过全场光学技术（如激光散斑干涉计量）和微观尺度方法（如聚焦离子束铣削结合数字图像相关技术（FIB-DIC）[4]进一步扩展了残余应力表征的能力。这些技术在不同空间尺度和测量深度上提供了互补的能力，因此应根据材料、组件几何形状、所需的空间分辨率和关注深度选择适当的方法[1]、[2]、[3]、[4]。
传统的应力消除通常通过炉热处理来实现，该方法本质上耗时且耗能。该过程通常在真空炉中进行，往往需要几个小时的浸泡才能实现有效的应力松弛。例如，Barros等人[5]对激光粉末床熔融制造的Inconel 718进行了1065°C下1小时的炉热处理，报告了显著的残余应力减少。Shrestha等人[6]在800°C下对冷喷涂的Inconel 625和Inconel 718进行了1小时的炉热处理，但仅观察到约75%的残余应力减少。在更低的温度下，Chen等人[7]研究了550°C下开槽Inconel 718合金的残余应力松弛，发现30小时的处理时间仅使表面区域完全松弛，而要同时松弛表面和次表面残余应力则需要3000小时的处理时间。
类似地，对于Ti-6Al-4V合金，Eshawish等人[8]在704°C下对选择性激光熔化的Ti-6Al-4V进行了2小时的炉热处理。Eyzat等人[9]也在400°C下对选择性激光熔化的Ti-6Al-4V进行了炉热处理，但仅观察到40%的表面残余应力减少。在炉热处理中，由于热量从外向内逐渐作用于材料，因此需要时间来完全处理整个材料。根据ASTM标准AMS2774H[10]和AMS2801D[11]，Inconel 718的炉热处理应在760°C下进行，浸泡时间至少为1小时；对于Ti-6Al-4V，则应在593°C下进行，浸泡时间为2小时±15分钟。
在本研究中，探索了一种使用电脉冲处理（EPT）来消除航空航天合金应力的一种替代方法。在EPT中，通过向材料中传递高密度电流脉冲来实现应力松弛，从而显著加快了处理过程。与传统的炉热处理不同，后者热量从表面向内部传播，EPT根据电极配置可以产生近乎瞬时的厚度方向加热。此外，使用电极可以实现局部处理，只影响电极之间的材料区域。这种能力使得可以在组件的特定区域进行有针对性的应力消除，与传统基于炉的方法相比具有更大的灵活性和潜在效率。
多项研究已经探讨了EPT在航空航天合金加工中的应用，主要集中在可加工性、微观结构改性和机械性能提升方面。Sun等人[12]研究了使用EPT提高GH4169航空航天合金的可加工性。发现EPT显著降低了车削过程中的主切削力。Yan等人[13]对增材制造的Ti-6Al-4V应用了EPT，证明了表面强度的提升以及内部孔隙的有效修复。Gao等人[14]研究了使用EPT快速修改选择性激光熔化的Ti-6Al-4V的微观硬度和微观结构，表明EPT可以降低α→β固相转变的热力学障碍，从而细化微观结构。同样，Zhou等人[15]证明EPT可以直接在不产生塑性变形的情况下重新结晶Ti-6Al-4V中的粗大β晶粒。通过再结晶，细小的β晶粒限制了马氏体板的生长，从而改善了合金的机械性能。对于Inconel 718合金，Zhang等人[16]表明EPT可以用作激光粉末床熔融组件的后处理技术，产生更均匀的微观结构，降低孔隙率，并提高机械性能，包括硬度、抗拉强度和延展性。
尽管取得了这些进展，但EPT在Ti-6Al-4V和Inconel 718等航空航天合金中专门用于残余应力消除的应用尚未系统地进行研究。现有的关于EPT诱导残余应力减少的研究主要集中在其他材料系统上，并主要使用X射线衍射（XRD）测量表面残余应力变化。例如，Gudur等人[17]在钢丝弧增材制造钢的过程中应用EPT进行原位应力消除，报告称XRD测量的表面残余应力减少了24.0–29.4%。Xiang等人[18]证明了淬火X80钢中的显著残余应力减少，更高的电流密度带来了更大的应力消除效果。Haque等人[19]使用峰值电流为100 A的低频直流电EPT来减少焊接316不锈钢接头中的残余应力，XRD测量的表面残余应力减少了约40%。此外，我们之前的工作[20]表明EPT促进了冷加工低碳钢的微观缺陷演变，包括位错解缠，从而有助于表面残余应力的松弛。我们还研究了EPT在喷丸Ti-6Al-4V样品上的应用[21]，并证明EPT具有作为这种合金快速应力消除技术的潜力。在仅114毫秒的处理时间内，喷丸引入的压缩表面应力中有高达90%得到了消除。然而，EPT消除批量残余应力的有效性仍不明确。此外，单独消除表面应力在实际应用中的意义有限，因为压缩表面应力通常有利于提高疲劳性能。因此，主要使用喷丸样品作为模型系统，以引入高位错密度区域来研究应力松弛机制。
为了证明EPT的有效性超越表面应力松弛，并展示其实际应用性，需要研究批量残余应力的松弛。在本研究中，研究了EPT在激光焊接Ti-6Al-4V和Inconel 718航空航天合金中消除批量残余应力的有效性。使用中心孔钻探（CHD）方法在100微米深度间隔到1毫米深度处测量了批量残余应力。研究了EPT在不引起显著晶粒生长或相变的情况下消除批量残余应力的能力。在实际应用中，希望在保持组件微观结构和机械性能的同时消除拉应力。此外，还评估了重复EPT处理对进一步增强批量残余应力松弛的效果。

板块摘录
激光 bead-on-plate 焊接
为了EPT研究，制造了激光 bead-on-plate 焊接的Ti-6Al-4V和Inconel 718样品。焊接后的样品含有不希望存在的拉应力残余应力，这些应力是通过EPT来消除的。焊接是在长度为100毫米、宽度为50毫米的板基材上使用单个80毫米的激光 bead-on-plate 脉冲完成的。Ti-6Al-4V和Inconel 718基材的厚度分别为3.5毫米和2毫米。这两种材料均处于退火状态。
图6展示了激光 bead-on-welded Ti-6Al-4V和Inconel 718样品的表面轮廓。观察到焊接区几何形状和表面形态的明显差异。Ti-6Al-4V样品的焊接区宽度为3.47毫米，而Inconel 718样品的焊接区宽度为3.15毫米。这两种宽度都明显大于用于中心孔钻探（CHD）残余应力测量的1.6毫米钻头直径，确认残余应力测量是在该范围内进行的。

讨论
电脉冲处理（EPT）已被证明在快速消除激光焊接Ti-6Al-4V和Inconel 718合金的批量残余应力方面非常有效。对于Ti-6Al-4V样品，初始纵向残余应力为549 ± 217 MPa，在大约9分钟的总处理时间内，经过三次EPT处理后显著降低到-22 ± 108 MPa，相当于残余应力减少了96%。同样，对于Inconel 718样品，初始纵向残余应力...

结论
在这项研究中，探索了电脉冲处理（EPT）作为快速消除激光焊接Ti-6Al-4V和Inconel 718合金批量残余应力的一种方法。使用中心孔钻探（CHD）方法测量了批量残余应力。系统评估了EPT消除批量残余应力的有效性以及重复EPT处理的影响。主要结论如下：
(1) EPT在快速消除激光焊接Ti-6Al-4V的批量残余应力方面非常有效。

作者贡献声明
Aprilia Aprilia：撰写 - 原稿、可视化、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。
Jin Lee Tan：撰写 - 审稿与编辑、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。
Zixuan Ling：撰写 - 审稿与编辑、验证、方法学、调查、正式分析。
Vincent Gill：撰写 - 审稿与编辑、项目管理、方法学、调查、资金获取、正式分析、概念化。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了新加坡国家研究基金会、Rolls-Royce Singapore Pte. Ltd.和南洋理工大学的资助，资助编号分别为#002123-00009和#002124-00009。

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