激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

有序度与残余应力对Fe-6.5%Si合金塑性变形性能的影响

为了进一步提高Fe-6.5%Si合金的塑性变形性能,以1100℃保温1 h油淬处理后的Fe-6.5%Si合金为对象,重点研究了不同回火温度和保温时间下合金的有序结构回复和残余应力松弛行为及其对三点弯曲力学性能的影响。结果表明,合理的回火处理工艺可在有效抑制有序结构回复的情况下显著松弛合金的淬火残余应力,进而提升淬火试样的塑性变形性能。300℃回火60 min、400℃回火10 min和500℃回火10 min试样的最大弯曲断裂挠度与淬火态试样相比分别提高了20.7%,31.3%,21.8%。合金塑性变形性能提高的原因与回火处理导致合金无序-有序结构回复以及试样表面微观残余应力的松弛有关。以400℃回火处理保温10 min为例,合金试样的有序相畴尺寸由淬火试样的20~200 nm提高到50~300 nm,表面残余拉和压应力分别降低了16.5%和19.4%。     

2A12高强铝合金激光冲击强化残余应力的松弛特性

采用激光冲击强化工艺对2A12高强铝合金试件进行表面处理,借助先进的测试方法分析初始残余应力分布并研究热应力、机械应力下的应力松弛规律。结果表明,应力松弛规律并不受外载荷的性质严格控制,热应力、机械应力等载荷引发的铝合金应力松弛规律相似,即残余应力与保温时间或应力加载周期基本呈对数线性变化关系。     

高周疲劳条件下激光温喷丸TC4钛合金的残余应力释放规律及疲劳特性

使用Nd:YAG纳秒激光器分别在试样表面温度为20、100、200、300以及400℃下对TC4钛合金狗骨状拉伸试样进行激光喷丸表面强化,然后使用疲劳试验机在高周疲劳条件下对试样进行残余应力释放测试与疲劳寿命测试,并使用热场发射扫描电镜研究激光温喷丸后试样的断口特点。结果表明,经过10 000次循环载荷后,试样表面温度为20、100、200、300及400℃时激光喷丸TC4钛合金试样的残余压应力幅值分别下降至–100、–75、–132、–196与–146 MPa;由于较高的残余压应力幅值及较低的残余应力释放速度,300℃时激光温喷丸试样的疲劳条带间距约为0.42μm,比20℃激光喷丸降低了约64%;300℃时激光温喷丸试样的疲劳寿命高达147 846次,约为20℃激光喷丸试样的1.7倍。     

激光冲击强化和喷丸强化对FGH97高温合金疲劳性能的影响

对FGH97粉末高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,测定650℃下旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析疲劳断口特征。结果表明,2种表面强化方法都可以提高FGH97粉末高温合金的疲劳性能,但激光冲击强化比喷丸强化具有更深的残余压应力层和较好的表面粗糙度,且残余应力在高温疲劳载荷下的松弛较小,因此具有更好的强化效果;与未表面强化的试样相比,喷丸强化和激光冲击强化试样的疲劳裂纹源都出现在亚表面,而未强化试样的疲劳裂纹源则出现在表面。     

激光冲击强化与喷丸强化对FGH97高温合金疲劳性能的影响

对FGH97粉末高温合金进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线应力分析仪测定强化层的残余应力,测定650℃下旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析疲劳断口特征。 结果表明,2种表面强化方法都可以提高FGH97粉末高温合金的疲劳性能,但激光冲击强化试样比喷丸强化试样具有更深的残余压应力层和较好的表面粗糙度,且残余应力在高温疲劳载荷下的松弛较小,因此具有更好的强化效果;与未表面强化的试样相比,喷丸强化试样和激光冲击强化试样的疲劳裂纹源都出现在亚表面,而未强化试样的疲劳裂纹源则出现在表面。     

在Ti-6Al-4V翼面上形成残余压应力的模拟试验

在表面层形成残余压应力可提高交变载荷下承载件的疲劳寿命。例如 ,高速旋转的涡轮叶片 ,通常采用喷丸的方法使其表面产生残余压应力。但这种方法产生的压应力层较浅 ,在外来载荷作用下容易消失 ,甚至变成残余拉应力。而采用激光脉动冲击波(LSP)处理承载件表面时 ,瞬间产生的压应力超过材料动态屈服应力 ,使被冲击区产生形变 ,其应变速率高达 10 6 /s。冲击波消失后 ,被冲击区遗留下压缩应力。美国空军研究实验室对激光冲击喷丸方法形成的残余压应力作了模拟试验。研究所用Ti 6Al 4V锻棒 ,经 93 8℃预热后 ,反复锻成 40 6 4mm长的板 ,经…     

激光冲击处理对GH4169合金应力回火稳定性的影响

利用激光冲击波对GH4169合金表面进行了强化处理,通过扫描电镜观察了激光冲击处理后其表面形貌的变化,用X射线应力仪测定了激光冲击处理后GH4169合金600℃和800℃回火处理后残余应力分布规律,并分析了残余应力产生机理.结果表明,激光冲击处理后GH4169合金残余压应力为-400 MPa以上;在800℃回火处理使残余应力值下降20%,600℃回火处理对其残余应力没有影响,回火稳定性较好.     

激光冲击强化对TA15钛合金双孔结构显微组织和疲劳性能的影响

对TA15钛合金进行激光冲击强化,研究了激光冲击强化对双孔结构试样显微组织、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明,经激光能量25 J、圆形光斑?4 mm,冲击2次的激光冲击强化后,TA15钛合金晶体内部形成了大量的高密度位错和位错墙;同时在材料表面引入高达-500 MPa的残余压应力,可以平衡疲劳载荷作用下产生的拉应力,有效抑制疲劳裂纹萌生并减缓裂纹扩展速率。激光冲击强化可以大大提高钛合金双孔结构的疲劳寿命,相对于未强化试样提高了60%～89%,这是由于激光冲击强化引入的较大残余压应力使得裂纹尖端的有效应力强度因子大大减小,当有效应力强度因子小于材料的断裂韧性时,疲劳裂纹的扩展会被抑制或停止,从而提高疲劳寿命。     

7075铝合金喷砂表面残余应力在疲劳过程中的松弛规律

对7075高强铝合金进行喷砂强化,采用X射线衍射法研究循环载荷作用下疲劳过程中喷砂表面残余应力的松弛规律。结果表明,残余应力的松弛主要发生在疲劳过程开始的100个周期内,其中大幅度松弛发生在初始10个周期内,1000次循环后残余应力基本稳定。不同应力水平下的松弛行为表明,循环应力达到疲劳极限以上时,残余应力松弛的幅度和速率都较大。经过150℃×2h保温处理的试样其表面残余应力显著降低,且疲劳过程中应力松弛的幅度和速率都降低。表面喷丸或喷砂强化试样大多在表面强化层下的拉应力区域产生裂纹,疲劳累积损伤理论也表明疲劳损伤是可以累加的,故表面存在一定数值的残余压应力并不能说明试样没有发生疲劳损伤,工程上不能只依据表面残余应力来判定材料的疲劳性能。     

高温合金激光冲击处理后残余应力及裂纹分析

利用激光冲击处理技术对GH141高温合金表面进行了冲击,采用X射线衍射法对其冲击处理前后残余应力分布进行了测试,并观察了其冲击处理前后疲劳裂纹产生情况。结果发现,GH141高温合金在冲击处理前残余应力均表现为拉应力,应力值约为200 MPa,在经过激光冲击处理后残余应力均转变为压应力,应力值约为-400 MPa,且硬度提高了20%~25%。在冲击过程中,发现处理后疲劳裂纹明显减少,说明激光冲击能有效降低疲劳裂纹的萌生,提高疲劳寿命。     

铝合金紧固孔复合强化工艺研究

目的研究激光喷丸-冷挤压复合强化工艺对7050铝合金紧固孔疲劳源、疲劳寿命的影响。方法利用ABAQUS软件进行复合强化工艺的有限元仿真,并在强化后施加循环载荷获得残余应力数据,然后在应力水平为195 MPa、应力比为0.1的条件下进行疲劳实验,并把仿真和疲劳实验的结果与激光喷丸、冷挤压进行对比。结果复合强化工艺能同时对表面和孔壁进行强化,复合强化工艺比激光喷丸表面和孔壁的残余压应力大,循环载荷下两者残余应力的差异减小。冷挤压工艺表面全部是拉应力,循环载荷下挤出面孔角附近的残余应力由-928 MPa变为300 MPa。未处理紧固孔的疲劳源位于孔角处,激光冲击强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,冷挤压紧固孔的疲劳源位于挤出面孔角附近,复合强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,复合强化紧固孔的疲劳裂纹扩展区面积最大。未处理、激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命分别为65 918、165 117、114494、225 209。结论与未处理的紧固孔的疲劳寿命相比,激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命都有所增加,复合强化的紧固孔的疲劳寿命最大,复合强化能够进一步提高紧固孔的疲劳寿命。激光喷丸和复合强化诱导的残余压应力层能够抑制疲劳裂纹萌生于表面,而冷挤压工艺则不能。     

激光冲击强化TC17钛合金室温和高温拉伸性能研究

目的分析激光冲击强化对钛合金室温和高温拉伸性能的影响。方法用YAG纳秒脉冲激光器对TC17钛合金板状拉伸试样表面进行双面激光冲击强化,脉冲能量为25 J,脉冲宽度为15 ns,光斑尺寸为4.2 mm×4.2 mm,搭接率为10%,强化1次。通过室温及400℃下拉伸试验,获得强化前后试样的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率,利用X射线衍射法测试拉伸前后试样表面的残余应力,并在扫描电镜下观察拉伸试样断口微观形貌。结果室温拉伸试验时,激光冲击强化对TC17钛合金的室温抗拉强度和伸长率几乎无影响,但强化后的室温屈服强度下降约6.1%,有/无强化试样均没有明显的屈服点,距离强化试样断裂位置10 mm的表面残余压应力较拉伸前下降约12%。400℃拉伸试验时,激光冲击对TC17钛合金的高温抗拉强度和屈服强度均影响较小,有/无强化试样均出现明显的屈服点,距离强化试样断裂位置10 mm的表面残余压应力较拉伸前下降约44%。结论激光冲击强化在TC17钛合金表面引入显著的残余压应力分布,对屈服强度具有一定程度的影响。强化后试样的屈服强度与拉伸过程中残余压应力松弛速率有关,室温拉伸过程的残余应力松弛较高温拉伸过程慢,试样内部的平衡拉应力区更容易先发生屈服。这是造成室温拉伸屈服强度小幅降低的主要原因。     

激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性研究

研究激光温喷丸强化铝合金焊接接头的表面残余应力释放规律及其对疲劳寿命的影响。以6061-T6铝合金焊接接头为研究对象,分别采用激光温喷丸和常温激光喷丸强化处理,围绕抗拉疲劳寿命与残余应力释放规律开展研究。使用XRD衍射方法检测疲劳过程中焊缝及热影响区的残余压应力,研究激光温喷丸诱导残余压应力的释放规律,并基于J-C本构模型推导循环载荷作用下残余应力释放的分析模型。在应力比0.1,最大应力120 MPa,频率10Hz,拉拉正弦波加载条件下,比较测试激光温喷丸、激光喷丸和未喷丸试样的抗拉疲劳寿命。结果表明,激光温喷丸诱导的铝合金焊接接头表面残余应力稳定性大幅提高,并最终显著提高了接头的疲劳寿命。     

ZrO2热障涂层残余应力分析

用扫描电子显微镜(SEM)观察了等离子喷涂ZrO2涂层的显微结构,并用X射线衍射法(XRD)测试了ZrO2涂层相的组成和残余应力.同时测试了激光冲击处理和激光热处理后的ZrO2涂层残余应力分布,分析了热障涂层残余应力形成机理.结果表明,等离子喷涂ZrO2涂层表面残余应力均为拉应力,其均值为179.2MPa,经激光表面处理后的ZrO2涂层残余应力均表现为压应力;热应力对涂层残余应力贡献最大,当热应力超过涂层结合强度时,涂层脱落,通过控制涂层残余应力可以提高涂层界面结合强度.     

形变强化金属材料表面状态特征的疲劳演变研究进展

概述了形变强化技术对金属材料疲劳性能的增强机理,主要归因于残余压应力、加工硬化、微观组织等表面状态特征的协同作用。重点综述了形变强化处理后金属材料表层的残余应力、加工硬化以及微观组织等表面状态特征在热载荷、机械载荷影响下疲劳演变的研究进展,分别总结了热载荷、机械载荷以及热–机械耦合载荷等作用条件下残余应力松弛行为、加工硬化松弛行为以及微观组织的疲劳演变规律与机理,并就热载荷、机械载荷作用下残余应力松弛行为的理论预测模型进行了归纳总结。在此基础上,讨论了关于残余应力、加工硬化以及微观组织等表面状态特征因素之间内在联系的研究进展,并指出了对于上述三者之间的逻辑关系目前研究存在的不足之处,以及尚待解决的问题。最后分析了当前金属材料表面形变强化研究中存在的一些问题与不足,并对表面形变强化抗疲劳制造技术未来的发展趋势进行了展望。     

TC17钛合金激光冲击温强化机制的研究

目的提高材料在交变载荷和高温下的疲劳性能,稳定材料的位错结构,增加位错的钉扎效果,使激光诱导的残余压应力更加稳定,有效地抑制强化效果的高温失稳。方法通过提高温度发生动态应变时效(DSA),并与激光冲击温强化(WLSP)结合,使得材料表面形成更深的残余应力层和纳米级沉淀相。对TC17钛合金温控激光冲击强化后的显微硬度、残余应力等性能进行了初步探索。结果经200℃的WLSP后,TC17钛合金的显微硬度可达385HV,相比未强化时提高了18.48%,相比于室温的LSP提高了4.62%。深度方向的残余压应力幅值呈现先增大后减小的趋势,200℃时残余应力达到-236 MPa,相比于常温强化提高了14.56%。观察微观组织发现,位错结构的稳定性和位错密度得到提高。结论激光冲击温强化(WLSP)技术提高了材料表面残余压应力层的高温稳定性,有利于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,有效地提高了高温条件下残余应力和表面强度的稳定性。该技术操作相对简单,无污染,残余应力高温维稳效果显著。     

残余应力对高速列车A7N01铝合金焊接接头疲劳行为的影响

研究了残余应力在疲劳加载过程中的应力松弛行为,采用预拉伸、表面喷丸等表面预制残余应力的方法预制了表面残余应力,并研究了焊接接头的疲劳性能. 结果表明,在经过1×105周次循环载荷后,各个部位残余应力发生较大松弛,在经过2×105周次后,应力松弛较1×105周次时松弛幅度降低. 在2×105周次后,应力松弛不再明显,最终残余应力分布在拉应力20～40 MPa之间. 当引入残余应力后,各种条件下的实际应力循环比发生了明显的变化,当应力比R≥0时,随着R的增大,平均应力增大,试样的疲劳周次显著下降. 残余压应力会使裂纹萌生的周期缩短,同时加快疲劳裂纹扩展速率.     

5A03铝合金的激光强化作用及抗应力腐蚀性能研究

为改善5A03铝合金的抗应力腐蚀性能,研究了激光冲击、高温保持、应力腐蚀环境下的拉伸试验及表面形貌、残余应力。结果表明:材料表面产生的残余压应力及表层晶粒细化,可提高试样在应力腐蚀环境下的强度。适当的高温保持有助于提升形变强化的效果。而激光强化后在300℃下保温,由于材料出现再结晶,其性能下降明显。     

TC4-DT钛合金喷丸残余应力场及其热松弛行为

采用不同喷丸工艺对TC4-DT钛合金试样进行喷丸强化.使用X射线衍射仪分析了表层压应力场特征,研究了150 ℃和300℃保温过程中的残余应力热松弛规律.结果表明,喷丸后材料表面形成一定深度的残余压应力场,材料表面粗糙度增加.在时效过程中温度和保温时间对残余应力松弛的影响由热激活过程控制,应用Zener-Werft-Avrami公式分析了热松弛过程.