激光熔覆对铝合金疲劳性能的影响

对模拟腐蚀损伤的铝合金试样表面进行了激光熔覆填充处理,分析了激光熔覆层的显微组织,并对熔覆试样和基材试样进行了疲劳寿命对比实验。结果表明,表面激光熔覆会显著降低材料的疲劳性能,在99%可靠度的前提下,熔覆试样的安全寿命比基材试样有所降低。其主要影响因素有熔覆层底部的枝晶、重熔区内的缺陷和熔覆层内的拉应力。经过表面机械冲击后,疲劳性能得到显著提高,提高幅度为244%,疲劳断口形貌表明,熔覆层有明显的疲劳特征。     

LY12CZ激光熔覆的疲劳性能

通过有效控制固体YAG脉冲式激光器的电流、脉冲宽度、频率、光斑直径、扫描速度等有关工艺参数,模拟飞机腐蚀损伤的铝合金试样表面激光熔覆Al-Y(Y的质量分数为4%)合金,Al-Si(Si的质量分数为12%)合金,充分时效后进行疲劳实验、疲劳断口分析和金相分析。结果表明,熔覆Al-Y合金试样的安全寿命达到熔覆Al-Si合金试样寿命的339%,熔覆层和基体结合得比较紧密,熔覆层气孔、夹杂等缺陷较少,疲劳断口裂纹扩展区存在疲劳条带和疲劳台阶,熔覆Al-Si合金试样的熔覆层气孔缺陷较多,没有呈现低周疲劳的特征。     

17-4PH不锈钢表面激光熔覆Stellite6合金涂层高周疲劳行为研究

利用半导体激光器在汽轮机末级叶片材料17-4PH不锈钢表面激光熔覆Stellite6合金涂层,然后分别制备17-4PH不锈钢、17-4PH不锈钢表面激光熔覆和17-4PH不锈钢表面激光熔覆后经550℃×6h热处理的疲劳试样,进行高周拉压疲劳试验,并对疲劳断口进行扫描电镜(SEM)分析。试验结果表明:在107循环周次条件下,基材17-4PH不锈钢的疲劳极限为470MPa,基材表面激光熔覆Stellite6合金涂层试样的疲劳极限下降到380MPa,而基材表面激光熔覆Stellite6合金涂层经过热处理后的试样可达到440MPa;基材17-4PH不锈钢的裂纹源通常位于表面、近表面或内部缺陷处,裂纹扩展区具有明显的疲劳辉纹特征,瞬断区为韧窝特征;而熔覆试样的裂纹源位于熔覆层侧的缺陷处或熔覆层与基体的界面结合处,然后向熔覆层和基体两侧扩展,熔覆层侧呈脆性沿晶断裂,基体呈韧性疲劳断裂。     

AZ91D-T6铸造镁合金激光冲击强化和高周疲劳性能研究

为了研究激光冲击对AZ91D-T6铸造镁合金高周疲劳性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光器(波长1064nm,脉冲宽度20ns),对中心缺口试样进行激光冲击强化(LSP)处理,并进行了拉-拉疲劳试验,分析了表面形貌、表面显微硬度、微观组织、疲劳断口特征和残余应力分布,结果表明:以1.5GW/cm2功率密度和光斑50%搭接的激光冲击强化后,中心缺口疲劳试样上下表面形成高残余压应力,显微硬度提高24%左右,晶粒明显细化,冲击试样循环周次比未冲击的提高33.7%,疲劳断口呈解理断裂特征,主要表现为大量解理台阶和河流花样,β-Mg17Al12相的存在改变了疲劳裂纹扩展路径。激光冲击延迟了裂纹萌生时间,提高了AZ91D-T6铸造镁合金的疲劳寿命。     

激光冲击范围对小孔构件疲劳性能的影响

激光冲击强化能够有效地提高孔结构零件的疲劳寿命。试验中采用较大的冲击区域范围对试样进行激光冲击强化后,发现试样的疲劳寿命降低甚至出现负增益。为此采用有限元分析和试验的方法,研究单面激光冲击范围对铝合金小孔件残余应力场以及疲劳寿命的影响。研究结果表明:激光冲击范围的增大,导致试样沿孔壁方向的应力分布变差,并且残余压应力影响层的深度降低;同时对疲劳拉伸后试样的断口观察发现,随着冲击范围的增大,疲劳裂纹源的位置也随之发生内移。因此对于小孔构件的激光冲击强化,应严格控制激光冲击范围以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

激光熔覆处理对2Cr13钢腐蚀疲劳寿命的影响

测定了２Ｃｒ１３钢及其激光熔覆试样在３．５％ＮａＣｌ（ＰＨ＝７）水溶液中频率为５０Ｈｚ时的腐蚀疲劳寿命曲线，研究了其腐蚀疲劳断裂行为特征。结果表明，激光熔覆试样的腐蚀疲劳裂纹起源于２Ｃｒ１３钢基材表面蚀坑。由于激光合金层抑制了腐蚀疲劳裂纹的萌生，使其腐蚀疲劳寿命明显高于２Ｃｒ１３钢。该结果为激光熔覆技术的应用开辟了新的道路。     

多道搭接激光熔覆层开裂的机理和试验分析

利用数值分析和试验相结合的办法,对多道搭接激光熔覆层的开裂机理和规律进行了研究。数值分析结果表明,激光熔覆后,熔覆层内部呈明显的拉应力状态,且主要集中在熔覆层底部与基体的交界处,因此单道熔覆时熔覆层的开裂倾向主要是垂直于扫描方向。在两道搭接熔覆时,前一次熔覆输入试样的激光能量在试样内部传递和扩散已有一定的时间,试样的整体温度升高后,第二次熔覆时激光能量输入产生的热量在试样内部形成的温度梯度就会有所减小,从而降低了工件内部的应力水平。两道熔覆完成后,由于熔覆层在扫描所受的拉应力降低的幅度最大,而垂直于扫描方向所受的拉应力变化不大,此时若熔覆层开裂,则开裂的方向将不再是垂直于扫描方向,而是会与扫描方向成一定的夹角。实际熔覆中,对单道、多道熔覆时熔覆层的开裂现象进行了观察,试验结果与分析结果较好地吻合。     

碳钢的激光冲击强化研究

利用高功率密度(GW/cm2)短脉冲(ns)激光对45碳钢进行了激光冲击处理,观察了激光冲击处理后45碳钢显微组织和结构的变化,并用扫描电镜对疲劳断口形貌进行了分析。试验结果表明:激光冲击强化能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,45碳钢的疲劳寿命得到较大提高。     

飞机起落架轴颈模拟试样的激光熔覆

采用三种不同的合金粉末对制造飞机起落架的常用材料30CrMnSiNi2A进行了激光熔覆处理。并与对磨的高频淬火试样进行了环与环的接触疲劳磨损试验,用失重法比较了三种粉末激光熔覆后的耐磨性。并且对其中Ni基试样的熔覆层及过渡层进行了硬度分析、金相组织及性能分析。结果表明:采用激光熔覆工艺能显着提高试样的耐磨性,其中又以含有30%WC的Ni基粉末为最好。     

应力水平对激光冲击强化圆角疲劳寿命的影响

为了研究不同应力水平（疲劳试验过程中应力最大值）下,激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的影响,对半径为3mm的TC4-DT钛合金圆角试样进行了激光冲击试验,接着对试样进行拉-拉疲劳试验,在疲劳试验过程中采用的两种应力水平分别为385MPa和423MPa,应力比r=0.1,并通过扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析。结果表明,激光冲击强化后,疲劳源从圆角表面向内部移动,且疲劳辉纹宽度减小,圆角结构疲劳寿命得到提高;当应力水平从385MPa增大至423MPa时,圆角疲劳寿命增益由246.2%减小至111.8%;激光冲击强化后,圆角结构表面形成一定深度的参与压应力,疲劳性能得到提高;但随着应力水平增大,激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的增益减小。该结果为针对薄弱区域强化而抑制疲劳裂纹萌生的研究具有指导意义。     

激光冲击处理1Cr11Ni2W2MoV不锈钢

对1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢进行了激光冲击处理(LSP)的基础性研究。激光器最大输出能量为50J,激光功率密度3.7～7.5GW/cm2。吸收层和约束层分别选取Al箔和均匀流水层,激光束采用倾斜入射方式,实验对单光斑试样、搭接光斑试样、疲劳试样分别进行冲击。通过表面形貌、显微硬度和残余应力等检测,验证了激光功率密度对冲击区性能的影响。三组疲劳试件进行对比表明,先冲击后打孔试件的疲劳性能最好,其表面高幅值的残余压应力层能很好地抑制疲劳裂纹的萌生和延长裂纹扩展的速率。实验证明激光冲击处理可以有效提高马氏体不锈钢的疲劳性能。     

真空激光熔覆的研究

真空激光熔覆避免了大气中有害气体对熔池的侵入,使熔覆层中的显微缺陷和开裂敏感性减小,提高了熔覆层的质量;并且真空熔覆的工艺特点与大气下的激光熔覆不完全相同;其它工艺条件相同时,真空激光熔覆的尺寸(宽度W和厚度H)明显小于大气下熔覆层的尺寸。     

激光熔覆复合涂层WC对裂纹产生机理影响研究

为了研究复合涂层中碳化钨(WC)组织演变对裂纹产生的影响机理, 采用单层激光熔覆、过渡层梯度熔覆与双层熔覆制备3种Ni50A/WC复合涂层对比的方法, 分析涂层的形貌与组织、裂纹产生特点以及原因, 探究WC的组织演变对裂纹产生的影响。结果表明, 不同熔覆方法的WC组织演变对裂纹产生的影响主要由残余WC颗粒内部开裂形成裂纹源、硬质相元素引起成分偏析等作用组成; 双层熔覆、梯度熔覆涂层与单层熔覆涂层相比, 由于粉末吸收了更多的能量, 残余WC颗粒含量降低了32.7%与37.9%, 减少了涂层内部裂纹源; 共晶化合物的W元素质量分数也从单层熔覆涂层的0.534分别下降到双层熔覆涂层的0.417与梯度熔覆涂层的0.386, 降低了硬质相元素集中程度, 减少了涂层成分偏析, 降低了涂层开裂敏感性。该研究对改善激光熔覆复合涂层的开裂问题、提高复合涂层的成品率有一定的指导意义。     

CeO2对激光熔覆Ni60合金涂层组织及性能的影响

为了研究稀土元素CeO₂对激光熔覆涂层性能的影响,以45#钢为基体、Ni60和Ni60+CeO₂粉末为熔覆材料,采用激光熔覆多道搭接工艺制备了含不同含量稀土氧化物的熔覆层。通过对熔覆层着色探伤、显微组织观察、显微硬度测定的试验,分析不同含量的稀土氧化物对熔覆层表面裂纹数量、显微组织、硬度的影响规律。结果表明,CeO₂的最佳掺杂质量分数为0.004;适量稀土元素CeO₂的掺杂,可使熔覆涂层裂纹数量减少,熔覆层的显微组织更加均匀而细小;熔覆涂层表面显微硬度远高于基体,维氏硬度是基体的3.6倍,搭接区域硬度值是基体的3倍左右。这表明稀土元素的添加可以抑制裂纹、细化晶粒,并在一定程度上提高熔覆层硬度。     

H13钢激光堆焊与氩弧焊的组织和性能对比研究

研究了激光堆焊层的组织和性能，通过对激光堆焊、氩弧焊的组织对比分析，表明激光堆焊可以得到晶粒细小、稀释率低、热影响区窄的堆焊层，显微硬度提高1．5倍；但激光堆焊开裂倾向增大。     

钢表面激光熔覆钴基合金层的组织和耐磨性的研究

采用CO₂横流激光在40Cr钢表面熔覆不同配比的钴基合金粉末,采用摩擦磨损试验机测试试样的摩擦磨损性能。对摩擦系数以及耐磨性均较高的试样,采用微观分析及力学性能测试手段对熔覆层显微组织、物相、成分进行比较研究。结果表明:在现有实验条件下,激光熔覆层的强化相呈现网络状加弥散分布的颗粒状使裂纹或者缺陷的萌生门槛值增加,裂纹扩展速率减慢,导致钴基合金激光熔覆层的摩擦系数和耐磨性能的协同提高。     

球墨铸铁表面激光点状合金化组织及热疲劳性能研究

采用CO2激光器对珠光体基体的球墨铸铁表面进行了点状合金化处理。设计了激光合金化点的分布方案，研究了强化层的组织和性能，对激光处理后的试样进行了热疲劳实验。结果表明，预置TH-2A型C-Si-B-RE合金化涂层，选择适当的激光辐照参数，可以获得表面光洁、硬度高、无裂纹的合金化层。热疲劳实验的循环温度为700 ℃至25 ℃，加热90 s，冷却10 s，共循环90次。实验发现，激光合金化点及其热影响区(HAZ)以外表面区域的热疲劳裂纹萌生主要与石墨球的存在及其圆整度有关，基体中裂纹的扩展在点状合金化区周围受到阻滞。合金化区内热疲劳裂纹同样在合金化区与热影响区的宏观界面被阻滞。热影响区内裂纹萌生主要与热循环过程中产生的氧化物有关，热影响区内极为细化的珠光体团有效地阻滞了裂纹并迫使其只能沿晶界缓慢扩展。