激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高

对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa;激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8％.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.     

激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高

对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa;激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8%.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.     

激光冲击强化对TC4电子束焊缝机械性能的影响

利用高功率重复率Nd：YAG激光对TC4钛合金电子束焊缝进行了冲击强化处理，研究了激光冲击强化处理过程中改变激光功率密度对电子束焊缝残余应力分布和表面层硬度的影响．试验结果表明，当激光脉冲能量为45．9J时，激光光斑直径Ф9mm，残余应力基本不发生变化，而激光光斑直径小于Ф3mm，焊缝残余应力分布变化显著，并随着激光光斑直径的减小，残余压应力的数值增大更加明显．当激光冲击的功率密度大于18GW／cm^2时，激光冲击强化处理使电子束焊缝区的残余应力改变明显，改善了焊缝残余应力的分布；当激光冲击的功率密度大于12GW／cm^2时，激光冲击强化处理使电子束焊缝区的表面层硬度明显改变，改善了焊缝区域硬度的分布，有利于提高TC4钛合金焊缝区的机械性能．     

超声滚压微锻造增材件表面力学性能

增材制造Ti-6Al-4V钛合金构件时，易出现裂纹、表面粗糙度大等缺陷.为了解决这一问题，将应用于表面强化处理的超声滚压微锻造工艺与增材制造过程相结合，通过有限元软件模拟了激光熔丝增材制造及冷却过程，并分析了超声滚压微锻造加工对增材件表面力学性能的影响.结果表明：在经过超声滚压微锻造加工后，增材件残余应力由拉应力转变为较大的压应力，有效降低了增材件产生裂纹等缺陷的风险，同时，加工后的增材件表面等效塑性应变增大，表面显微硬度提高，且超声滚压微锻造加工对滚压头接触区域影响最大.     

激光冲击、喷丸及其复合强化对TB6钛合金表面完整性及轴向疲劳性能的影响

 为了提升TB6钛合金旋翼的疲劳性能，研究了喷丸、激光冲击及两者的复合工艺等3种表面强化方法对钛合金表面完整性及高周疲劳性能的影响规律。采用白光干涉仪、X射线残余应力测试仪和扫描电子显微镜分别对加工前后试样的表面形貌、表面残余应力分布和微观组织等表面完整性特征参数进行了表征，并采用疲劳试验机分别测试了轴向应力疲劳寿命和疲劳极限。结果表明，在相同加载条件下，相比磨削试样，采用单一的激光冲击试样的轴向应力疲劳寿命提高了32.2倍，而单一的喷丸和激光冲击+喷丸复合强化的试样疲劳寿命均提高了至少126.4倍。激光冲击+喷丸复合强化表现出比单一的喷丸强化更优的疲劳极限增益效果。     

激光冲击强化对Ti2AlNb合金微观组织及残余应力的影响

Ti2AlNb(O-Ti2AlNb)具有优异的力学性能,在航空发动机方面有远大应用前景.激光冲击强化(Laser Shock Peening,LSP)是一种先进的表面改性技术,能够在材料表面诱导产生高幅值、大深度的残余压应力,改善材料微观组织,提高材料抗疲劳、高温氧化等性能.本文采用激光冲击强化对Ti2AlNb合金进行表面改性,并研究其组织演变、残余应力以及高温环境对性能的影响.结果表明:激光冲击强化能够显著减小Ti2AlNb合金近表面的晶粒尺寸.显微硬度由冲击前的350 HV提升到395 HV;在冲击区域近表面产生了约-377 MPa的残余压应力;而在高温环境中,由激光冲击强化所诱导的材料近表面残余应力随时间逐渐释放,在600℃条件下,残余应力释放较为缓慢;而在720℃条件下,残余应力迅速释放.     

增材-微锻造加工工艺应力场数值模拟研究

激光熔丝增材制造过程中,材料快热快冷的特点使熔覆层产生不利于表面强度的残余应力,而增材-微锻加工工艺可提高增材制件的加工质量,改善增材制件微观组织及力学性能缺陷.以TC4为研究对象,通过超声微锻造工具头与熔池保持一定的相对距离做进给运动,对材料表面进行高频次冲击与滚压,使熔覆层表面得到改善和强化.对增材-微锻加工工艺进行顺序热结构耦合数值模拟研究,分析加工过程中熔覆层应力场变化情况.研究表明:对尚未冷却的增材熔覆层表面进行超声微锻造,熔覆层由于热源加载产生的残余拉应力转化为较为有益的残余压应力,降低了熔覆层表层缺陷发生的概率.不同的超声振幅、进给速度以及锻造温度参数对残余压应力及法向变形量有较大影响.     

激光冲击强化对42CrMo钢耐高温腐蚀性能的影响

采用高能量纳秒级脉冲激光,对42CrMo合金钢表面进行激光冲击强化处理,测定42CrMo钢在激光冲击强化后的残余应力、硬度及粗糙度,并对试样进行高温腐蚀试验,利用扫描电子显微镜(SEM)观察试样表面的微观形貌,研究激光冲击强化处理对42CrMo钢耐高温腐蚀性能的影响.结果表明:激光冲击强化后试样表面腐蚀形貌明显比未进行激光冲击处理试样更好.激光冲击强化后42CrMo钢耐高温腐蚀性能得到提升,主要是由于材料表面残余压应力层能够抑制材料表面氧化膜的脱落,提高其耐高温腐蚀性能.与小能量激光冲击相比,大能量冲击可以大幅度提高试样表层的残余压应力值,并提高残余压应力的影响深度.     

激光冲击处理不锈钢慢应变速率拉伸应力腐蚀性能

利用激光冲击处理技术对304不锈钢片试样进行激光冲击处理。采用慢应变速率拉伸实验方法评价304不锈钢激光冲击处理前后在80℃时、质量分数为3.5%Na Cl溶液中的应力腐蚀开裂敏感性。通过金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)分析激光冲击处理后表面强化层的晶粒细化程度。采用显微硬度计测定了表面显微硬度分布及影响层深度。实验结果表明,激光冲击处理未能显著细化试样表层晶粒,但可以提高显微硬度。随着冲击次数增加,表面显微硬度值也增加,影响层厚度提高。慢应变速率拉伸应力腐蚀试验结果表明激光冲击处理可以降低不锈钢应力腐蚀开裂敏感性,且双面冲击处理比单面冲击处理效果更好。     

电子束熔化成形与锻造Ti6Al4V合金的腐蚀行为对比研究

本工作采用电化学工作站研究了电子束熔化技术（EBM）成形TC4样品和传统锻造TC4在3.5wt% NaCl溶液中的电化学腐蚀行为. 结果表明EBM成形TC4样品的非平衡微观结构使其与传统锻造的TC4相比,表现出不同的耐腐蚀性. EBM成形TC4样品与锻件TC4相比,EBM成形样品不同平面存在耐蚀性差异,而且EBM水平面大于锻件,EBM垂直面小于锻件. EBM成形TC4样品垂直面出现的腐蚀性能的各向异性主要是β柱状晶导致的. 在腐蚀的过程中,点蚀优先发生在α晶界,因为晶界能量较高,形成多孔的钝化层. 本项工作有助于丰富增材制造制备TC4合金在航空钛合金领域的腐蚀性能研究.     

同轴送粉激光增材工艺对温度场及应力场的影响

激光增材制造过程中金属零件能否顺利成形以及成形后组织性能的优劣直接取决于工艺参数的选择。为研究激光工艺参数对增材构件温度场和应力场的影响，本文基于顺序热-力耦合有限元方法对在304L基板上进行同轴送粉激光增材GH4169合金粉末的单道单层工艺开展数值模拟研究。在实验验证数值模型有效性的基础上，深入分析激光功率和扫描速度对不同区域的温度场和残余应力的影响，并探讨应力场与温度场之间的关系。在沉积层边缘区域，提高激光功率和降低扫描速度都会明显降低沉积层和基板在降温过程中的温度梯度，且该温度梯度与该位置的横、纵向残余应力呈明显的正比关系。在沉积层内部，扫描速度的变化对横、纵向温度梯度和残余应力影响微小，提高激光功率使得该区域的纵向温度梯度明显降低，但横、纵向残余应力略有增大，熔池中心区域的残余应力和温度梯度不存在明显的正比关系。     

钛合金激光熔丝增材制造的温度场与应力场模拟

激光熔丝增材成形过程中复杂热循环和残余应力分布会使沉积层产生较大的变形甚至开裂.利用ABAQUS软件建立其完全热力耦合有限元模型,采用移动热源子程序模拟激光加载,生死单元技术模拟材料的添加.综合考虑了材料的熔化潜热、对流/辐射换热边界条件、随温度变化的材料非线性等问题,研究Ti-6Al-4V 钛合金单道多层薄壁件沉积过程中的热循环特性和残余应力分布.结果表明:沉积成形经历了快速加热、快速冷却的过程,随着层数的增加,热累积效应增强;沉积层整体呈拉应力状态,易产生裂纹等缺陷.     

激光冲击TC4残余应力场的试验及有限元分析

为提高钛合金的疲劳强度,采用Nd:Glass强脉冲激光对TC4钛合金表面进行冲击强化处理,采用X射线应力仪对冲击区的残余应力场进行测试,并采用ABAQUS有限元仿真软件对其残余应力场进行分析计算.结果表明,激光冲击使材料表面残留较大幅度的残余压应力,当激光功率密度为3 GW.cm-2时,表面残余压应力值高达400 MPa,残余压应力层的深度约为0.6 mm.有限元分析结果与试验测试值有较好的一致性.不同激光功率密度下残余应力场的有限元分析结果表明,激光功率密度大于1.6 GW.cm-2,冲击区将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力增加并趋于饱和,分析结果可为激光冲击工艺参数的优化提供理论依据.     

航空钛合金的激光冲击研究

介绍了用激光冲击处理航空材料钛合金TC4提高其力学性能的技术.当利用强激光冲击钛合金表面时,涂层表面形成高幅值冲击波.在冲击波的高压作用下,钛合金表面发生微塑性变形,形成高幅值残余压应力层.激光冲击后,表面压应力层厚度达1 mm以上,压应力达200 MPa以上.随着激光能量的增加,冲击区域的残余应力有增大的趋势,在功率密度由1 GW/cm2增加到5 GW/cm2过程中,其冲击波峰值处的压力线性增加,表面最大残余压应力也相应线性增加;在功率密度为2 GW/cm2时,残余压应力随着次数增加而升高,而且表面硬度也大大提高,从而有效地改善了材料的机械性能,大幅度提高航空材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能.     

热处理对增材制造AlSi10Mg合金组织性能及残余应力的影响

 增材制造AlSi10Mg合金通常存在较大的残余应力,对材料的服役使用产生不利影响,故需要采用热处理对残余应力予以控制甚至消除。利用X射线衍射、光学显微镜、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、背散射电子衍射、维氏硬度和拉曼光谱试验,研究了成形态和退火态合金的显微组织、性能及残余应力。结果表明,成形态合金由过饱和Al固溶体和Si相组成,其中, Si相以网状共晶硅和弥散分布的纳米硅颗粒2种形态存在。同时,成形态合金的晶粒细小,其晶粒尺寸分布的d₅₀值约为10.4 μm。250~300℃退火使合金元素从过饱和Al固溶体中析出,形成平衡相Mg₂Si和Si相;且随着退火温度升高,合金元素析出越彻底。此外,退火还引起网状共晶硅和纳米硅颗粒粗化,促使晶粒长大并诱发再结晶。由于退火后合金中的细晶强化、固溶强化和弥散强化效果减弱,故合金的维氏硬度下降。然而,退火可以显著降低合金的残余应力,下降幅度达到60%~80%。因此,为更好地实现组织和性能调控,有必要针对增材制造铝合金的特点开发新的热处理制度。     

7050铝合金激光冲击强化的试验和数值模拟

依据激光冲击强化7050铝合金的试验,建立激光冲击强化的有限元模型,实现激光冲击强化的数值模拟,残余应力场的数值模拟结果与试验结果取得较好的一致.在不考虑各冲击参数之间交互作用的前提下,模拟研究冲击参数对残余应力场的影响.模拟结果表明:在激光功率密度小于一定阀值条件下,表面残余压应力最大值随激光功率密度增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力最大值减小;表面残余应力最大值和残余压应力层深度随着脉宽的增加而增加;通过增加光斑半径对残余压应力场的改善主要体现在对深度方向残余应力场的改善;多次连续冲击强化对残余应力场的改善效果比较明显.     

QT700球墨铸铁曲轴的激光冲击强化试验

选用不同涂层对QT700曲轴激光冲击处理,研究激光冲击强化条件下,QT700曲轴的硬度和表面残余应力等力学性能的变化.发现在激光冲击过程中,黑漆涂层、铝箔涂层和硅酸乙脂涂层均能有效提高冲击试样的表面硬度和表面应力.经过激光连续冲击后,在曲轴试件表面能形成1.0 mm厚的硬化层,其表面硬度最大能达到590 HV.激光脉冲功率从2.8 GW/cm2提高到3.6GW/cm2时,轴颈表面残余压应力相应由326 MPa提高到495 MPa,两次冲击后提高幅值更大.     

激光冲击强化恒弹合金3J58的力学性能

对3 J58恒弹合金试样进行激光冲击强化处理,采用纳米压痕技术测定了激光冲击区域、冲击影响区域和未冲击区域的纳米硬度和弹性模量,并对不同区域的残余应力进行测试.研究结果表明:激光冲击区域和冲击影响区域的纳米硬度、弹性模量和表面残余应力分布都有明显的改善.     

激光喷丸成形金属板料的研究

激光喷丸成形金属板料是一种新技术.即用高功率短脉宽的强激光辐照板材,当激光诱导的冲击波幅值超过板材的动态屈服极限时,板材的表层产生了不可恢复的微观塑性变形,从而使板材在厚度方向上产生了不均匀残余应力而使板料发生宏观变形.板材变形的形状受激光脉冲参数、冲击次数、喷丸的轨迹以及板材的机械性能等多种因素影响.板料成形后,表面留有有益的残余压应力而延长了零件的疲劳使用寿命.     

热处理对激光立体成形Ti_3Al/TC11连接界面组织性能的影响

通过对激光立体成形Ti3Al/TC11连接界面沉积态、去应力退火和固溶时效3种状态的组织进行对比研究,探索改善Ti3Al/TC11连接界面组织以提高其性能的新途径。研究表明,沉积态试样在两个基体与过渡区交界处组织形貌差异较大,经去应力退火后试样连接界面的组织形貌与沉积态相比变化不大,但针状α′相长度明显减小,Ti3Al侧β晶界厚度减小且变模糊。经固溶时效处理后,两个基体与过渡区交界处组织形貌差异较小,均为等轴、细小α相、α2相和转变β相的三重混合组织,β晶界消失,沿整个试样显微硬度值分布均匀,相比去应力退火态其显微硬度整体较高,这可能与弥散相的固溶强化作用有关。