TC4激光冲击表面处理及疲劳性能分析

表面微晶化是提高材料疲劳寿命的主要方法之一,本文钛合金金属构件抗疲劳处理为应用背景,研究了TC4钛合金激光冲击表面微晶化处理方法,试验分析其表面组织和疲劳寿命。结果表明：激光冲击处理后,在材料表面形成了一层厚度约为10μm的细晶组织,材料疲劳寿命提高9-10倍,疲劳断裂开裂源的位置为激光冲击难于冲击到的边角地区和应力集中区域。     

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。     

涂层对钛合金激光冲击效果的影响

激光冲击波可以用来对比较难成形的材料进行精密成形，而材料表面的涂层在激光冲击过程中起到重要的作用，因而研究了涂层对零件，中击效果的影响．试验中，当激光功率密度达到10^9W／cm^2以上，脉宽为22．1ns，波长为1．06μm时，分别对黑漆涂层以及不加涂层的钛合金TA2进行激光冲击，发现涂层不仅能提高激光能量的吸收，而且能显著地提高冲击压力．通过激光冲击后的形变测量。发现使用黑添涂层，相对于不加涂层，其变形量提高了471％，表面残余压应力达到-212．2MPa，有效改善了钛合金的疲劳寿命．采用涂层可以延长航空工业上许多关键零部件的服役寿命．     

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.     

无约束层激光冲击薄板的疲劳寿命

探讨激光冲击对无约束层铝合金薄板试样疲劳寿命的影响。结果表明 ,无约束层磷化薄板试样冲击后的疲劳寿命与未磷化未冲击处理的比较 ,寿命提高 62 .8% ;与有约束层经磷化冲击处理的比较 ,寿命也提高51 .2 %。说明在本试验条件下 ,激光冲击处理用于提高材料疲劳寿命 ,无需在冲击部位表面覆盖约束层     

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.     

激光选区熔化TC4钛合金疲劳与断裂

分析了激光选区熔化ＴC４钛合金疲劳寿命及其影响因素。研究结果表明,激光选区熔化TC4钛合金的疲劳性能与传统的经过退火处理的钛合金性能相当。对断口的疲劳源分析表明,激光选区熔化TC4钛合金的疲劳裂纹起源于距离表面最近的制造缺陷,这种制造缺陷多为不规则形状,在缺陷中能够明显地观察到制造过程中产生的层间界线。通过对比分析可知,疲劳源在试样表面以下的位置及其最大跨度尺寸影响着试样的疲劳寿命。目前,制造缺陷仍然是影响激光选区熔化TC4钛合金疲劳性能的主要因素。     

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.     

Ti6Al4V脉冲激光焊接头高温力学性能研究

为了研究温度对钛合金薄板脉冲激光焊接头拉伸性能和疲劳性能的影响,采用与母材对比的实验方法,分别测试了不同温度下母材和激光焊接头的拉伸和疲劳性能,并利用扫描电镜对拉伸和疲劳断裂后的试样断口和组织进行观察。结果表明,Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的拉伸强度和疲劳寿命随着温度的升高而降低,300 ℃时母材和接头的抗拉强度分别降低了26.2%和31.6%,疲劳寿命分别降低了83.6%和77.8%;通过对疲劳断裂后的组织观察,发现Ti6Al4V脉冲激光焊接头的疲劳损伤集中于焊缝区域,并且随着温度的升高,Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样表面的组织变形程度增大从而导致了疲劳寿命的降低。研究结果对提高钛合金寿命和使用安全性有参考价值。