激光冲击处理钛合金

介绍了激光冲击处理(LSP)的特点和应用情况，研究了激光冲击处理对钛合金表面轮廓、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明，经激光冲击处理后效果十分明显，钛合金获得光斑大小的凹坑，凹陷值10～20 μm，残余应力最大可达-600 MPa以上，表面残余应力水平与高强度喷丸相当，但塑性变形程度明显大于喷丸;合适的激光参数和搭接率可以获得光滑平整的冲击区，双光束冲击处理涡轮叶片后有明显冲击痕迹和残余压应力，并且没有发现变形和裂纹。     

激光冲击强化对钛合金棒件疲劳寿命的影响

为了研究激光冲击对TC4-DT钛合金圆棒残余应力分布及疲劳特性的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了不同冲击载荷下圆棒最小直径截面内残余应力的分布,并对试样先后进行了激光冲击强化试验和拉-拉疲劳试验,最后对疲劳断口形貌进行了对比分析。结果表明,圆棒试样会在表面及近表面形成残余压应力层,在内部及中心区域产生拉应力,且表面残余压应力和内部拉应力皆随冲击载荷的增大而增大;内部拉应力区域面积远大于表面压应力层面积,致使疲劳裂纹扩展加速,从而导致疲劳寿命降低,对圆棒试件的拉-拉疲劳性能产生不利影响;圆棒试样经激光冲击强化后疲劳裂纹源向内部转移,且位于内部最大拉应力区域。该研究对轴类零件经激光冲击强化后的应用条件具有一定的参考价值。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

钛合金板料激光冲击变形的实验

为了研究不同的激光能量和不同的冲击路径、冲击次数对TA2钛合金板料变形的影响,借助于江苏大学研制的高功率Nd:glass激光冲击波装置,采用实验的方法,取得了不同条件下钛合金板料的变形数据.结果表明,随着激光能量的增加,板料的变形量增大;板料几何尺寸和厚度越大,板料越难变形;冲击区域的不平度,随前后光斑间隔的增大而增大,随光斑间隔的减小而减小.通过此类激光冲击实验可优化激光冲击的相关参数,预测板料变形.     

激光冲击强化诱导的残余应力场分析

激光冲击强化是一种新兴的现代表面处理技术,它利用激光产生的高幅冲击波在冲击区诱导出有益的残余压应力,从而达到强化材料的目的。在分析了激光冲击强化的基本原理和残余应力的形成过程后,探讨了残余应力的计算模型,同时对激光冲击强化后,冲击区表面和深度方向上的残余应力分布特点进行了分析。研究表明在激光冲击强化过程中,存在最佳的冲击波峰值压力;经激光冲击后,金属表面产生很深的残余压应力,且冲击区的残余压应力在表面和深度方向上都基本为均匀分布。     

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

有限元分析(FEM)是预测激光冲击强化处理(LSP)后材料的残余应力场、合理优化冲击参数非常有效的方法。通过对材料冲击响应过程的分析,建立了激光冲击强化处理的有限元分析模型,实现了激光冲击强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式分析得到的材料内部各种能量变化过程,结合应力波理论,验证显式分析过程的正确性,提出显式分析求解时间的选择方法;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布,分析结果与实验结果非常接近。数值分析结果表明,表面残余应力在冲击区域内分布比较均匀,表层的残余应力梯度较小;多次重复冲击后,材料的残余压应力明显增加,残余压应力影响深度也显著加深;随着冲击次数的增加,材料的残余应力场趋于饱和。     

圆形倾斜薄壁件的激光熔覆成形

航空发动机燃烧室是由向外倾斜、直壁和向内倾斜3部分组成的圆形薄壁件。面向燃烧室结构的圆形薄壁件,依据偏移无支撑熔融粉末不塌陷的临界条件和单道熔覆层高度建立了熔覆成形倾斜角度数学模型,研究了激光熔覆向内倾斜和向外倾斜圆形薄壁件的偏移量、成形高度和倾斜角度,并进行了试验验证。研究结果表明在单层等偏移量条件下,几何形状的差异导致了向内倾斜圆形薄壁件较向外倾斜圆形薄壁件偏移总量较大、成形高度较小和倾斜角度较大,最后试验熔覆出了航空发动机燃烧室模拟件。研究结果为圆形薄壁件激光熔覆成形应用提供了理论和试验依据。     

激光冲击AM50镁合金残余应力场的有限元分析

为了研究镁合金在激光冲击载荷作用下残余应力场的特征,采用实验测试和有限元分析的方法对激光冲击区的残余应力进行了研究.试验中使用Nd:glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理,当激光功率密度为3GW/cm2时,表面的残余压应力值高达-146MPa,残余压应力层深约0.8mm;用有限元分析软件ABAQUS对残余应力场进行数值计算,得到激光功率密度大于0.49GW/cm2时,将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力值增加并趋于饱和;激光功率密度在1.95GW/cm2～3.06GW/cm2之间时,残余压应力值达到饱和.结果表明,实验测试数据与数值计算结果一致性较好,该结果可为激光冲击参量的优化提供理论依据.     

封闭空腔回转薄壁件的激光熔覆成形

封闭空腔结构具有大倾角的特征,如采用传统的水平分层法堆积,大倾角部分的熔池易产生塌陷,使成形无法进行;采用变角度法向分层堆积大倾角封闭区域时,存在激光与已成形部分的干涉问题。文中基于中空激光光内送粉技术进行了空间堆积封闭半球壳体的研究。将封闭半球壳体划分为变角度法向成形区域和斜定向成形区域,前者采用变角度法向分层方法进行堆积,以消除阶梯效应;后者采用斜定向错位分层方法进行堆积,避免了封闭区堆积时激光与已成形部分的干涉。建立了斜定向分层堆积偏移模型,并通过斜墙试验验证了可行性,最终完成了封闭半球的熔覆成形。检测结果表明,成形件表面平整,尺寸误差在5%以内,壁厚稳定在2.7 mm左右,两种成形区域的显微组织整体均匀致密,硬度和强度总体保持稳定。     

不同冲击次数下激光冲击对TC11钛合金的影响研究

利用激光冲击强化技术对TC11钛合金进行处理,通过电子透射显微镜、残余应力测试仪和显微硬度计分别分析了TC11钛合金激光冲击前后微观组织、残余应力和显微硬度的影响.实验结果表明:表面微观组织在不同冲击次数下呈现出位错密度-位错胞-纳米晶的细化过程,且纳米晶随着冲击次数增加而变得更加细小、均匀;材料表面产生了-540 MPa以上的残余压应力,且显微硬度也得到显著提高,幅度达到20％左右,不同次数下硬度影响深度由600 μm增至1200 μm.     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

TC4钛合金板激光冲击成形实验研究

首次对TC4钛合金板进行了激光冲击成形实验研究,实现了TC4板的激光冲击成形。并利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和显微硬度计分析了冲击成形后试样组织结构和表层硬度的变化。实验结果表明激光冲击成形技术不但可以实现对TC4钛合金板的成形,而且还可以提高了TC4钛合金板的物理和力学性能。最后通过与SUS304不锈钢成形效果的比较,说明了TC4钛合金比SUS304不锈钢更难成形。     

搅拌摩擦焊与激光冲击复合工艺的应力场仿真

采用激光冲击(LP)的方法对铝锂合金搅拌摩擦焊(FSW)焊接区域进行改性强化,对于促进搅拌摩擦焊接工艺在航空航天等领域的应用具有重要意义。以航空铝锂合金为加工对象,对搅拌摩擦焊与激光冲击强化复合工艺下焊板的残余应力场进行了有限元仿真模拟。通过与文献中的试验结果进行对比,验证了所建仿真模型的准确性。模拟了搅拌摩擦焊、激光冲击及两者复合的工艺过程,对比了经不同工艺处理的焊板上的残余应力分布,并研究了应力波的传递规律。仿真结果表明:激光冲击能有效减小搅拌摩擦焊在铝锂合金表面及亚表面引入的残余拉应力;搅拌摩擦焊引入的残余应力越大,激光冲击对残余应力的减小效果越明显;复合工艺处理引起的应力波衰减率略大于仅激光冲击处理引起的应力波衰减率,从而使得复合工艺中的激光冲击引起的残余应力减小量大于仅激光冲击引起的残余应力减小量。     

激光冲击对钛合金机械零件疲劳特性的影响分析

为提升钛合金零件工作的可靠性与经济性,就激光冲击对钛合金机械零件疲劳特性的影响展开分析。根据激光冲击原理,得到冲击波压力与激光功率密度间关系,通过调整公式获取理想的冲击波压力值,优化激光器的各项参数;利用等离子高效产生冲击波,提升残余应力,得到应力分布方式与实际交变拉应力变化对疲劳强度与抗腐蚀性的影响,使疲劳裂纹得到有效控制;根据轮廓算术平均偏差和微观波浪度与点高度和,获得激光冲击与粗糙参数之间的负相关性,分析得出激光冲击对钛合金零件疲劳特性的影响。经过仿真实验,发现激光冲击能够有效降低表面粗糙度,令应力水平显著提升,从而增强耐疲劳、耐磨损性能,其对疲劳特性的影响有着主导性的作用。     

钛合金板料激光冲击变形的数值模拟和实验

采用实验的方法,研究了不同的激光能量和不同的冲击路径、冲击次数对TA2钛合金板料变形的影响,取得了不同条件下钛合金板料的变形数据。结果表明:随着激光能量的增加,板料的变形量增大;板料几何尺寸和厚度越大,板料越难变形;冲击区域的不平度,随前后光斑间隔的增大而增大;随光斑间隔的减小而减小。通过此类激光冲击实验可优化激光冲击的相关参数,预测板料变形。     

带连接筋双层薄壁件激光直接成形工艺

成形带连接筋双层薄壁件时,筋与薄壁连接处易产生凹凸缺陷。如控制不当,随着堆积的进行凹凸缺陷愈加明显,易导致堆积失败。提出等体积法侧向搭接工艺,通过控制喷头扫描路径中起、停偏移量控制侧向搭接量,从而获得了熔覆形貌平整的筋、壁相贯连接面。提出基于层高检测技术的功率控制工艺来保证堆积过程中熔覆层形貌不失稳,完成了带筋双层薄壁件激光直接成形实验。成形的带连接筋双层薄壁件间隙约为2.6mm,尺寸偏差在5%以内;显微组织致密均匀,无明显的气孔、裂纹等缺陷,显微硬度在640~770HV之间。     

HR-2钢薄壁件激光热导焊研究

探讨了HR-2抗氢不锈钢制薄壁件的激光热导焊方法,研究了激光热导焊接HR-2抗氢不锈钢制薄壁件的工艺参数,分析了焊缝焊深的波动情况及影响焊深波动的因素,提出了有效的焊深波动控制措施.结果表明,采用降低焊接速度和焊前预热等措施,可以突破CO2激光热导焊接HR-2抗氢不锈钢的熔深极限,并且可降低焊深波动;在规范参数和工艺方法选择合适的情况下,激光焊接HR-2抗氢不锈钢薄壁件,可达到焊深≥0.25mm、焊深波动控制在±10%的范围以内、焊缝内部质量及表面成形质量优良的焊接要求;但焊缝质量受激光对中点和点焊点的影响很大,应尽量避免采用激光对中及点焊.     

激光的复宗量厄米-高斯相干模表示

利用部分相干光理论,以具有双正交性质的复宗量厄米-高斯(EHG)模为基底,推导出激光的EHG模相关系数(MCCs)和M2因子公式,建立了激光的EHG相干模表示与对应的常规厄米-高斯(SHG)相干模表示之间的关系,并讨论了两种典型的应用例.研究结果表明,激光的EHG模相关系数可以通过SHG模相关系数得到;当同阶模式的权重因子相同时,由彼此互不相关的EHG模式叠加而成的光束比由彼此互不相关的SHG模式叠加而成光束的光束质量更好.     

射线检测钛合金激光焊件微小缺陷分布特征

采用实时成像系统,对复杂结构钛合金激光焊件进行了检测,得到了含有微小缺陷的激光焊件射线图像。为了确定复杂结构激光焊件焊缝中气孔缺陷的位置和分布,对气孔缺陷的分布特征进行了研究,推导出气孔缺陷埋藏深度的计算公式．设计了峰值异常缺陷和斜凹型异常缺陷投影距离自动提取算法,确定了缺陷在钛合金激光焊件中的分布特征,并通过模拟试什的破坏性试验对该公式进行了验证。验证结果表明：测量值与计算值基本一致,     

高斯激光辐照下膜基系统的温度场和应力场的瞬态分析

本文根据加载激光的工艺参数以及薄膜、基体的材料特性,建立了薄膜与基体的有限元模型,对高斯激光在加载在薄膜表面后的温度场进行有限元模拟,获得膜基系统中温度随时间的变化关系以及薄膜界面结合处的温升规律。并在此基础上根据薄膜和基体的热膨胀性能,进行薄膜和基体的应力场模拟,获得了膜基系统的应力场随时间的变化关系。模拟结果表明：在激光加载过程中,薄膜和基体中的温度场随着时间增加,由于热传导系数的差异在薄膜和基体之间产生温差。在膜基系统中产生的应力场主要集中在薄膜内部,膜基界面结合处产生的应力较大会导致薄膜的脱粘。模拟结果定性地反映了薄膜和基体中温度和热应力的变化规律,为分析激光划痕法的作用过程提供了一定的理论依据,对研究膜基系统失效进程具有重要意义。