TiAl合金激光冲击强化工艺探索及强化机制研究

主要研究航空常用材料TiAl合金激光冲击强化效果,当激光诱导产生的冲击波大于TiAl合金的动态屈服强度时,材料表面发生塑性变形,并引入大量的位错等晶体缺陷,从而达到表面强化的目的。通过调整激光冲击的次数和激光的能量等因素,得到不同工艺参数下TiAl合金的显微硬度和表面粗糙度。对其微观结构进行透射电镜观察,并与未进行冲击的试样进行对比分析,可以看出激光冲击强化可以有效地提高受冲击表面的位错密度,当位错运动受阻形成位错线的塞积,导致位错缠结;位错受到晶界的阻碍在晶界堆积,形成位错墙,位错墙与位错缠结最终导致亚晶界的形成,为后期晶粒细化做准备,通过分析激光冲击强化机制,揭示了位错密度是材料表面力学性能提高的本质。     

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.     

激光冲击强化K403镍基高温合金表面纳米化

针对K403镍基高温合金铸造构建易发生裂纹、腐蚀、磨损的问题,采用激光冲击强化技术对K403薄片试件进行处理,使试件表面纳米化提高材料力学性能。利用X射线衍射、SEM扫描电镜、TEM透射电镜分析了材料表面纳米晶层的形成机理。实验结果表明:激光诱导的高压等离子体冲击波可以在样品表面上形成226 nm厚的纳米晶层;从SEM和TEM结果可以看出,激光冲击强化不会改变材料表面物相。在高冲击波压力下,K403试样表面组织产生了位错和纳米级晶粒细化。     

多次激光冲击Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化研究

为了研究激光冲击Ti-6Al-4V钛合金下的表面纳米化和微观结构的演变特性,采用短脉冲Nd:YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面分别进行了激光冲击实验,得到了不同激光冲击次数下钛合金表面的微观组织和相应表面硬度。随着激光冲击次数增加,晶粒尺寸逐渐减小并形成纳米晶粒;冲击3次以上时,纳米晶数量明显增多、尺寸分布更加均匀,表面出现取向更加随机的等轴纳米晶;冲击5次后,随着冲击次数增加,钛合金表面纳米晶粒尺寸没有出现明显降低的趋势,始终保持50nm~130nm;不同冲击次数下纳米层的深度不会明显增加,纳米层深度约为15μm~20μm;冲击次数5次以上后,钛合金表面硬度趋于稳定,最大值约为525HV~530HV。结果表明,Ti-6Al-4V钛合金表面纳米化程度随着激光冲击次数的增加而提高;在5次激光冲击后钛合金表面的纳米化程度达到渐饱和状态,表面具有分布较好的纳米晶和较高的硬度。这表明多次激光冲击钛合金表面可以实现晶粒从微米级向纳米级转化。     

AM50镁合金激光冲击强化实验研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm,脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理,并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下,试样表面留下光亮致密的微凹坑,凹坑深约27μm;表层材料发生高应变速率的塑性变形,材料内产生大量位错与孪晶,强化层深度约0.8 mm;冲击区的显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提高58%;冲击区表面存在残余压应力,数值高达-146 MPa。实验结果表明,激光冲击镁合金的强化效果明显。     

铜箔激光冲击微成形微观组织与残余应力研究

为了研究激光成形方式对成形轮廓和微观组织的影响,采用厚度为40μm和80μm的T2铜箔进行激光冲击微胀形和微拉深实验。同时使用ABAQUS有限元仿真对实验进行模拟,研究不同变形方式下箔材位移和残余应力场。结果表明,激光冲击微胀形后铜箔变形区域出现颈缩,激光作用区域内变形机制主要为位错滑移、变形扭曲晶粒和机械孪晶;箔材上表面（激光冲击表面）为残余拉应力,最大值约为372.3MPa,箔材下表面（背向激光冲击面）为残余压应力,最大值约为-218.7MPa;而对于微拉深,箔材成形轮廓过渡圆滑,厚度分布均匀,光斑作用区域内出现大量位错露头和一些机械孪晶,箔材上表面为残余压应力,最大值约为-365.6MPa,箔材下表面为残余拉应力,最大值约为203MPa。这一结果对激光冲击箔材成形控制是有帮助的。     

激光冲击AZ31镁合金抗腐蚀性能研究

利用钕玻璃脉冲激光对AZ31镁合金表面进行激光冲击处理,金相显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)微观组织表明激光冲击波导致镁合金表面层(强化层约0.8mm)产生超高应变速率的塑性变形,晶粒内部存在大量位错和孪晶,高密度位错相互缠结,并与孪晶相互交叉导致晶粒细化。镁合金冲击表层硬度比基体提高约58%,表面残余压应力达120MPa。在质量分数为3.5%NaCl溶液中,采用动电位扫描技术和慢应变速率拉伸应力腐蚀试验研究其冲击后的腐蚀行为,结果表明激光冲击后自腐蚀电位提高,腐蚀电流增大,抗腐蚀性有所降低,但激光冲击后镁合金抗应力腐蚀性能提高。     

TC17 钛合金激光多次冲击强化后组织和力学性能研究

对TC17钛合金激光冲击强化前后的微观组织和力学性能作了对比研究,将TC17钛合金进行同一功率密度下不同次数的激光冲击,分别利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、残余应力测试仪和显微硬度计对激光冲击前后TC17钛合金的微观组织、残余应力和显微硬度进行了观察和测试。试验结果表明:TC17钛合金在不同次数激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,晶粒细化明显,3 次激光冲击后有纳米晶形成;残余应力和显微硬度都随着冲击次数的增加数值增大,且沿深度方向的变化规律基本相同;与未冲击试样相比,5 次冲击后试样表面显微硬度提高了20.7%,沿深度方向300 m范围内影响明显,表面残余应力达到-644.3MPa,残余压应力影响层深度增加至1.9mm。     

激光冲击20CrNiMo钢表面微造型摩擦学性能研究

为了探索激光冲击20CrNiMo钢表面微造型摩擦学性能,从表层微观结构和表面宏观形貌两个角度,研究了激光冲击强化的方法对20CrNiMo钢表面摩擦磨损性能的影响。采用激光以不同搭接率搭接冲击20CrNiMo钢,用透射电子显微镜观察激光搭接冲击20CrNiMo钢试样表层微观组织结构,取得了试样表层晶粒状态的照片;采用CETR UMT摩擦磨损试验机对其进行摩擦磨损试验,取得了试样表面摩擦系数和磨损量的数据。结果表明,激光冲击强化作用可以导致20CrNiMo钢试样表层晶粒细化,在磨损过程中,晶粒细化层明显抑制表面疲劳磨损的产生,从而提高其耐磨性能;激光冲击搭接率越高,金属材料表面的摩擦磨损性能越好。     

激光冲击强化对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金组织与性能的影响

激光冲击强化(Laser shock peening, LSP)是一种新颖的非弹丸撞击式表面改性技术。利用LSP对片层组织Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(Ti80)钛合金进行表面处理,并研究了LSP对其微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。LSP处理后Ti80钛合金发生了严重的塑性变形,表层片层组织中形成了位错缠结、形变孪晶及层错等晶体亚结构缺陷,晶粒发生细化。LSP处理后表层显微硬度提高了21.7%,残余压应力达到最大值(-334 MPa),且显微硬度和残余压应力都随深度的增加呈现梯度变化特征。LSP处理后产生的加工硬化、细晶强化和残余压应力的作用改善了拉伸性能,断口形貌中的韧窝变得大而深且解理面变少。晶粒细化为钝化膜的形成提供更多的形核位置,同时杂质不容易在晶界偏析,延缓晶间腐蚀;高密度位错阻碍电子转移,降低腐蚀电流密度,使Ti80钛合金在5 mol/L HCL溶液中的耐腐蚀性能得到明显提高。     

中高温条件下6061-T651铝合金激光冲击强化研究

利用高功率、短脉冲Nd∶YAG激光对6061-T651铝合金进行表面冲击强化处理,并分别在200℃、300℃、400℃和500℃的温度下对其进行性能测试,从残余应力、显微硬度和微观组织等方面分析了激光冲击处理(LSP)对其在高温条件下性能的影响。研究结果表明中高温条件下激光冲击6061-T651铝合金的强化效果明显。200℃和400℃时试件的最大残余压应力出现在次表层,且温度越高残余压应力释放得越快,激光冲击硬化层深度约为0.3mm,500℃时的晶粒平均尺寸要比400℃时的大,晶粒尺寸和强化相是提高硬度的主要原因,不连续且粗大的晶界析出物提高了6061-T651铝合金的抗腐蚀性能。     

激光冲击强化钛合金熔覆修复试件疲劳性能研究

激光成形修复钛合金构件存在修复区晶粒粗大和残余拉应力,以及不同区域间组织及性能不均匀的问题,导致修复构件的疲劳性能明显降低。本文采用激光冲击强化技术,对激光熔覆修复试件进行了表面强化,研究了激光冲击对其疲劳强度的影响,并从残余应力和微观组织等方面分析了激光冲击提高熔覆试件疲劳强度的原因。结果表明,钛合金基体试件的疲劳强度为401 MPa,激光熔覆试件的疲劳强度为365 MPa,下降了9%;激光冲击强化后,熔覆试件的疲劳强度达到了450.80 MPa,相比基体提高了23.5%。激光冲击强化在试件表层引入了数百兆帕的残余压应力,影响层深度可达430μm,同时可使修复区的组织和性能变得均匀,从而提高了修复试件的疲劳抗力。     

激光冲击强化对镁合金摩擦磨损性能的影响

为了研究激光冲击对镁合金摩擦磨损性能的影响,采用Nd:glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理,对强化区的表面形貌、粗糙度、微观组织、显微硬度、摩擦磨损性能进行了测试与分析.可知激光冲击强化后,试样表面粗糙度略有增加,强化层内含有大量位错与孪晶,强化层显微硬度明显提高,表面的显微硬度值(约67HV)明显高...     

AZ31镁合金激光冲击温成形实验研究

为了研究超高应变速率激光冲击对AZ31镁合金温成形性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光器(脉冲宽度为20 ns,激光功率密度为1.53 GW/cm2)进行AZ31镁合金薄板室温激光冲击成形(LSF)和200℃时激光冲击温成形(WLSF)实验研究及模拟分析。结果表明:AZ31交叉轧制薄板具有良好的超高应变速率WLSF能力,可实现温成形和改性双重效应,表层形成高幅残余压应力和高密度位错,WLSF表面比LSF具有更稳定的残余压应力,超高应变速率激光冲击和动态再结晶可能是纳米晶形成的主要原因,并分析LSF和WLSF试样表面形貌和粗糙度以及表面残余应力分布。     

深冷激光喷丸强化2024-T351铝合金的表面力学性能

为了研究深冷激光喷丸强化（Cryogenic Laser Peening,CLP）对2024-T351铝合金表面力学性能的影响,采用Nd:YAG纳秒脉冲激光分别在常温（25℃）和深冷温度（-100℃）条件下对2024-T351铝合金材料进行激光喷丸处理,随后对试样的显微硬度、残余应力和微观组织等表面性能进行了测试分析,最后基于微观组织演变探讨了CLP对2024-T351铝合金的强化机理。结果表明,由于超低温对位错滑移及湮灭的抑制作用,CLP处理试样的位错密度提高,在动态再结晶后材料表面晶粒尺寸减小,其表层显微硬度与残余压应力值较常温LP处理试样分别提高了约20.3%与21.6%,因而改善了2024-T351铝合金的表面力学性能。     

激光冲击提高45钢疲劳寿命的研究

激光冲击45钢的表面硬度提高了大约32％，硬化层深度约为100μm，在离表层大约30～40μm处硬度达到最大，平均疲劳寿命提高了60％左右，在置信度为95％时，激光冲击强化试件的中值疲劳寿命是未冲击试件的1.11～2.133倍。     

激光喷丸对Ti-6Al-4V钛合金中高温性能影响研究

为了研究激光喷丸对中高温条件下Ti-6Al-4V钛合金残余应力、微观硬度及金相组织演变的影响,采用高功率、短脉冲Nd:YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面进行了激光冲击,并将冲击后的试样分别置于400℃,500℃,550℃和600℃的温度下进行了1h的保温处理。利用X射线衍射仪对强化区域的残余应力进行了检测,通过扫描电镜及透射电镜对微观组织进行表征,探究了强化效果与晶粒尺寸、位错运动间的联系。结果表明,激光喷丸处理在试样表层诱导产生较大幅值残余压应力,显微硬度提高;经550℃热处理1h后,残余应力影响层深约为100μm;经400℃、600℃热处理1h后,试样表层微观硬度分别下降了8.3HV和20.1HV;热处理后,晶粒尺寸总体呈现增大趋势。激光喷丸处理可以有效提高Ti-6Al-4V钛合金中高温力学性能。     

激光冲击强化对TC17微观组织和表面硬度的影响

为了研究激光冲击次数和冲击能量对TC17钛合金微观组织和表面硬度的影响,采用不同的工艺参量对TC17钛合金进行了激光冲击强化处理。TC17钛合金在激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,冲击过程中位错发生增殖、塞积、缠结等现象,单脉冲冲击形成的微凹坑的深度最大可达21.4μm;脉冲能量为5J、搭接冲击次数从1次增加到4次时,材料的表面硬度相比母材的增幅分别为8.3%,17.2%,24.3%和24.5%;5J和7J冲击1次时,表面硬度相比母材增幅分别达8.3%和14.2%。结果表明,随着冲击次数和脉冲能量的增加,TC17材料表面硬度随之增加,激光冲击强化使材料表面产生高密度位错,这是其表面硬度增加的关键原因。     

激光单次冲击LY2铝合金微观强化机制研究

采用激光冲击强化技术对LY2铝合金表面进行处理,利用扫描电镜和透射电镜对塑性变形层深度方向的不同区域进行结构表征,测量了元素成分的变化,并对激光冲击强化铝合金的微观机理进行深入的研究。结果表明,激光冲击能够在LY2铝合金表面产生亚微米级的亚晶结构,深度方向的位错结构从随机分布位错到位错线,再到位错缠结,最后到亚晶进行逐步演变,最终形成细化的晶粒。激光冲击的超高应变率对于粗晶的细化和最小平均晶粒尺寸的大小具有至关重要的作用。     

低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织

本文研究了在低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层的显微组织,以探索纳米材料在表面工程领域中的应用。研究结果表明低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层熔区组织仍为钢基组织,但熔区的晶粒大小仅为0 .8μm～1.2 μm ,比不用纳米TiAl合金的熔区晶粒约小一个数量级;在熔区的最表层形成了一新的致密的薄层组织(约为1μm)。低碳钢表面激光熔覆纳米TiAl合金涂层中形成细小的晶粒组织和致密的氧化物可以显著地提高其力学性能(硬度)和耐腐蚀性能。