喷丸对Ti-10V-2Fe-3Al钛合金拉-拉疲劳性能的影响

研究了高强度钛合金Ti-10V-2Fe-3Al表面喷丸强化所产生的表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力和表面层残余压应力场变化及喷丸对其拉-拉疲劳性能的影响.结果表明:喷丸强化可使Ti-10V-2Fe-3A钛合金的表面粗糙度减小和表面层产生一定深度的残余压应力场,喷丸强化引起的表面完整性的改善显著提高了疲劳性能.疲劳试验结果证实了喷丸强化不仅可以显著延长高强度钛合金Ti-10V-2Fe-3Al的拉-拉高周疲劳寿命,而且可使1×107周次下的疲劳极限提高约30%,且表面喷丸强化后疲劳裂纹源由多个变为一个.     

喷丸结合振动光整加工工艺对钛合金疲劳性能的影响

目的提高钛合金的疲劳性能。方法采用喷丸结合振动光整加工工艺对TC4钛合金进行了表面加工处理。对未加工试样、经过喷丸处理后的试样和经过喷丸与振动光整加工工艺处理后的试样,分别进行了表面粗糙度、表面层残余应力测试,并对三种状态下的试样进行了旋转弯曲疲劳试验。对比了不同工艺处理后试样的表面粗糙度、表层残余应力及疲劳强度。结果与喷丸工艺相比,采用喷丸结合振动光整加工工艺对试样进行处理后,试样的表面残余压应力值提高了39 MPa,残余压应力峰值、残余压应力层的厚度略有降低。喷丸结合振动光整加工工艺在不明显改变试样残余压应力场的条件下,使试样的表面粗糙度得到大幅降低。疲劳试验结果表明,喷丸工艺使TC4钛合金的疲劳强度提高了16.3%,喷丸结合振动光整加工工艺使TC4的疲劳强度提高了23.8%,比喷丸后TC4钛合金的疲劳强度高出7.5%。结论在喷丸工艺的基础上,喷丸结合振动光整加工工艺通过改善TC4钛合金的表面完整性,使TC4钛合金的疲劳强度得到进一步提高。     

残余应力场和不同应力比下TC11钛合金的高周疲劳性能

采用化学腐蚀剥层的方法在X射线应力衍射仪上测定喷丸与未喷丸TC11钛合金表层残余应力场,并测试了此应力场下r=–1,0.1两不同应力比下1×107次的高周疲劳,拟合成疲劳S-N曲线。使用OM、SEM、EDS、超显微硬度仪对材料原始组织、表面形貌、断口形貌、源区成分及疲劳试验后表层硬度变化进行了观察和测定。结果表明,喷丸后在TC11钛合金表层形成一个"钩"形分布的残余压应力场,且层深0.122 mm处压应力值达–463 MPa。此应力场能显著改善其拉/压疲劳性能,而对其拉/拉疲劳性能几乎不起作用。拉/压和拉/拉疲劳试验后,TC11钛合金喷丸试样表层硬度梯度都有降低的趋势,但未喷丸试样却呈上升趋势。     

表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

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.     

高强度钢喷丸强化残余压应力场特征

对高强度钢不同喷丸强化规范下引入的残余压应力场进行了深入研究，归纳了喷丸强化残余压应力场的特征，总结了工程上实用的喷丸残余压应力场规律并澄清了一些错误认识。     

钛合金喷丸后的残余应力场与热松弛分析

采用100%和300%覆盖率喷丸方法对TC4钛合金表面进行强化,分析了表面覆盖率和热暴露温度对合金表面残余应力场和半高宽的影响。结果表明:喷丸后,较高的覆盖率可以提高残余压应力的数值、深度及半高宽数值;经过200℃×1 h热暴露后,覆盖率为100%和300%喷丸的钛合金表面残余应力场和半高宽分布基本一致,说明覆盖率偏高对于残余应力场的热稳定性有不利影响;经过500℃×1 h热暴露后,覆盖率为100%和300%喷丸的钛合金表面残余应力场均松弛殆尽,说明热暴露温度对残余应力具有重要影响,而表面层半高宽仍高于基体,说明喷丸产生的塑性形变强化效果仍可能存在。     

钛合金喷丸残余应力场与热松弛

用100%和300%覆盖率喷丸方法对TC4钛合金表面进行强化,分析了表面覆盖率和热暴露温度对合金表面残余应力场和半高宽的影响。结果表明,喷丸后,较高的覆盖率可以提高残余压应力的数值、深度及半高宽数值;经过200 ℃×1 h热暴露后,覆盖率为100%和300%喷丸的钛合金表面残余应力场和半高宽分布基本一致,说明覆盖率偏高对于残余应力场的热稳定性有不利影响;经过500 ℃×1 h热暴露后,覆盖率为100%和300%喷丸的钛合金表面残余应力场均松弛殆尽,说明热暴露温度对残余应力具有重要影响,而表面层半高宽仍高于基体,说明喷丸产生的塑性形变强化效果仍可能存在。     

航空发动机钛合金叶片喷丸强化残余应力研究

目的 研究航空发动机钛合金叶片残余应力场,掌握叶片喷丸后和使用后的残余应力分布规律,为评估叶片的安全性和可靠性提供依据,为预测叶片剩余寿命提供数据支持.方法 利用X射线衍射技术测试并研究航空发动机钛合金风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力场、喷丸后残余应力沿层深的分布规律和使用后的残余应力衰减规律.结果 喷丸后风扇叶片残余应力的90%分布在-600~-800 MPa,其残余应力均值为-682 MPa;压气机叶片残余应力的90%分布在-500~-700 MPa,其残余应力均值为-603 MPa.喷丸后风扇叶片和压气机叶片的表面残余应力约为-610 MPa,在次表面层11μm和13μm处存在一个最大残余压应力,分别为-739 MPa和-683 MPa,随后残余压应力随着深度的增加而逐渐减小.风扇叶片使用300 h后应力分布在-460~-720 MPa,使用600 h后应力分布在-430~-700 MPa;压气机叶片使用300 h后应力分布在-470~-670 MPa,使用600 h后应力分布在-360~-620 MPa.结论 喷丸后钛合金叶片表面存在较大的残余压应力且分布较为均匀;喷丸后钛合金叶片残余压应力随层深的增加先增大后减小,残余应力场深度约为50μm;使用后的钛合金叶片残余应力有衰减趋势,而且随着使用时间的增加,残余压应力衰减量逐渐增加.     

AISI-304奥氏体不锈钢喷丸残余应力的有限元模拟

目的针对喷丸有限元模拟中多数模型的弹丸数量较少,不能准确反映喷丸过程中弹丸位置的随机性及喷丸覆盖率对残余应力场影响的问题,对喷丸过程的有限元模拟技术进行优化。方法基于大型有限元分析软件ABAQUS,使用python编程语言对弹丸在三维空间中的分布进行随机化处理,建立了随机多弹丸喷丸AISI-304奥氏体不锈钢的有限元模型。在喷丸覆盖率大于100%的条件下,模拟分析了喷丸工艺中弹丸的数量、尺寸和弹丸的速度对残余应力场的影响,结合试验对有限元模型的合理性进行了验证。结果增加弹丸数量可提高残余压应力层的厚度和残余压应力的最大值,当弹丸数量为90颗时,残余压应力场接近饱和;增加弹丸速度,靶材残余压应力的峰值、表面应力值及残余压应力场的深度值增大,残余压应力峰值出现的位置基本不变;增大弹丸的直径,靶材残余压应力峰值、峰值的位置、表面应力值及残余压应力场的深度值均明显增大。结论喷丸残余应力的试验测量结果和有限元模拟结果吻合,模型合理。     

离子渗ZrN与喷丸复合对TC4合金疲劳行为的影响

为改善钛合金耐磨和抗疲劳性能,采用离子渗技术在TC4钛合金表面先渗Zr,再渗N形成梯度ZrN合金化层,并与喷丸强化(SP)后处理复合。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪和显微硬度计分析测试了改性层的组织结构和硬度沿层深的分布,探讨了改性层对TC4钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制。结果表明,TC4钛合金离子渗层由ZrN-TiN复合相表层和富氮的Zr-Ti固溶体次表层组成,表面以ZrN相为主,其硬度较基材提高了3.2倍,合理强度的喷丸后处理未造成渗ZrN层表面明显损伤,并使表层硬度进一步增大,硬度沿层深呈现梯度递减分布。渗ZrN层明显降低了TC4合金的疲劳抗力,此归于ZrN-TiN层韧性低、表面粗糙度大。SP后处理则使渗ZrN的TC4钛合金疲劳抗力显著提高,不仅远高于TC4钛合金基材,而且远大于SP处理状态,原因归于复合处理引入了数值高、分布深的残余压应力场,并使表面粗糙度降低、组织改善,有效抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展。     

Influence of surface coating on Ti811 alloy resistance to fretting fatigue at elevated temperature

An extensive study of the composition distribution, bonding strength, hardness, and wear resistance of a 0Cr18Ni9 film deposited on a Ti811 titanium alloy surface by ion beam enhanced deposition (IBED) is presented. Shot peening was introduced to post-treat the modified surface to synergistically improve the fretting fatigue resistance of the Ti811 alloy at 350～C. The results indicate that the 0Cr18Ni9 film with high density, small grain size, low void radio, and high bonding strength can be prepared using IBED. As a result, the hardness, wear resistance, and fretting fatigue resistance of the Ti811 alloy are increased to a remarkable extent. Compared with shot peening treatment or IBED 0Cr18Ni9 film alone, the Ti811 titanium alloy with an IBED 0Cr18Ni9 film combined with shot peening shows a higher fretting fatigue resistance at 350℃. This is due to the synergistic effect of the high wear resistance of the film surface and the residual compressive stress induced by shot peening.     

喷丸处理的锆合金残余应力场分布规律

目的通过不同的喷丸处理工艺,探索适用于锆合金包壳管的喷丸处理参数。方法对锆合金包壳管采取9种不同的喷丸处理工艺且编号(1—9号),采用XRD残余应力检测技术,对处理后的包壳管试样分别进行轴向和切向的残余应力场测定。结果未喷丸处理的试样表面轴向、切向残余应力分别为-277 MPa和-250 MPa,最大应力在最外表层。喷丸处理试样表面轴向残余压应力比未喷丸处理的大,只有9号工艺对应的表面轴向残余应力比未喷丸的小,这很有可能是因为喷丸强度过大,在表面形成了微裂纹,残余应力得以释放,所以锆合金包壳管的喷丸强度不宜超过0.40 mm A。对于强度较高的5—9号喷丸工艺,喷丸强度达到0.15 mm A以上,包壳管压应力影响层的厚度均超过460μm,几乎达到了喷丸处理后包壳管的整个壁厚。在相同喷丸强度和相同弹丸直径条件下,玻璃丸的表面压应力和最大压应力与不锈钢丸的相近,不锈钢丸处理的压应力影响层比玻璃丸处理的压应力影响层厚约80μm。结论在相同喷丸强度和相同弹丸材料下,改变弹丸直径对锆合金两个方向上的表面残余应力和最大残余应力的大小影响不大;直径较小的弹丸对应轴向最大残余应力的位置更深,直径较大的弹丸对应切向最大残余应力的位置更深。随着锆合金喷丸强度的增加(没有出现过喷),表面两个方向上的残余应力都增加,两个方向上的最大残余应力也有所增加。     

等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合金抗微动损伤性能

利用直流脉冲等离子电源装置对Ti6A14V钛合金表面渗氮处理,研究了渗氮层的相组成、硬度分布、韧度及摩擦学性能,采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理,以达到联合提高钛合金微动疲劳(FF)抗力的目的.研究结果表明:脉冲电源等离子技术可在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相组成的渗氮层,该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力.渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用,使钛合金FF抗力超过了SP单独作用.提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW性能均十分重要.     

喷丸压力对GH3535合金表面状态及疲劳性能的影响研究

分别采用0.3MPa、0.45MPa和0.6MPa喷丸压力对GH3535高温合金表面进行喷丸。利用扫描电子显微镜（SEM）观察合金表面形貌、强化层组织结构,通过金相显微镜（OM）、维氏硬度计、X射线应力分析仪分析表层晶粒度、表层显微硬度、表层残余应力分布及X射线衍射峰半高宽。在室温条件下进行高周疲劳实验,并通过扫描电子显微镜（SEM）观察分析断口形貌特征。结果表明:GH3535合金喷丸后表层形成了晶粒细化层、硬化层和残余压应力层。且合金表面产生的晶粒细化层厚度、硬化层厚度以及残余压应力层厚度均随着喷丸压力的增加而提高。喷丸压力在0.3MPa～0.6MPa范围内,疲劳寿命受喷丸压力的影响较为敏感,且疲劳寿命随着喷丸压力的增加而提高。当喷丸压力为0.6MPa时,喷丸产生的效果最优,疲劳寿命提高了471.1%。喷丸后GH3535合金疲劳寿命的提高得益于合金表面状态的改善。     

GH742高温合金激光冲击强化和喷丸强化残余应力

对GH742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,对比分析2种残余应力的差异和特征,并采用不同的退火温度进行退火,研究表面残余应力在高温下的稳定性。结果表明,2种表面强化方法都可以在GH742高温合金表层引入残余压应力,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稳定性,且残余压应力最大值在表面;与激光冲击强化的试样相比,喷丸强化试样的残余压应力较浅,而且随着喷丸强度的增加,最大残余压应力也由表面移向了次表面。     

喷丸强化AZ91 D镁合金残余应力场的数值模拟及实验研究

目的研究喷丸工艺对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响。方法基于有限元平台建立喷丸强化AZ91D镁合金的有限元模型,从残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度等方面探讨弹丸速度、弹丸直径和弹丸入射角对AZ91D镁合金表面残余应力场的影响,并通过喷丸强化AZ91D镁合金的实验与有限元模拟结果进行对比。结果增大弹丸速度对残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值提高效果明显,但对残余压应力峰值的深度影响不大;增加弹丸直径,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值及其深度均有明显提高;增大入射角,残余压应力层的厚度、残余压应力的峰值有明显提高,但是残余压应力峰值的深度基本不变。有限元模拟结果中,残余压应力层的厚度比实验值小7%,残余压应力的峰值比实验值大5%,残余压应力峰值的深度比实验值小11%。结论残余应力的实验结果与有限元模拟结果具有较好的一致性,模型合理。