激光冲击强化对TC17钛合金微观组织和力学性能的影响

针对航空发动机TC17钛合金叶片易受外来物打伤实际问题,需要进一步提高叶片的疲劳强度。对板状TC17钛合金进行不同激光功率密度下的激光冲击,分别利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、残余应力测试仪和显微硬度计分别对激光冲击前后TC17钛合金的组织和力学性能进行了观察和测试,再选取强化效果较好的功率密度为4 GW/cm2时对叶片强化后进行振动疲劳试验。结果表明:TC17钛合金在不同功率密度激光冲击后,表面组织产生大量高密度位错和纳米晶,随着功率密度的增大,晶粒细化程度越大;残余应力值和显微硬度都随深度增加而减小,表面显微硬度提高了20%,并形成800μm左右的硬度影响层;而功率密度为4 GW/cm2时提高幅度最大,HV0.1硬度为4310 MPa,表面残余压应力达到628.2 MPa,且残余应力在280和450℃下具有较好的热稳定性;TC17钛合金叶片在4 GW/cm2参数下强化后,其振动疲劳寿命提高了2倍。     

Effect of Multiple Laser Shock Processing on Microstructure and Mechanical Properties of Ti-5Al-4Mo-4Cr- 2Sn-2Zr Titanium Alloy

对Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金进行了不同能量和冲击次数的激光冲击强化,通过残余应力、显微硬度、XRD和TEM分析其对力学性能和微观组织的影响。结果表明,功率密度和冲击次数对残余应力和显微硬度都有较大影响,激光冲击强化后,显微硬度和残余应力都有大幅度提升,并形成一定厚度的变形层,增加冲击次数或者增大功率密度都可提高其幅值和影响深度。不同冲击参数下的XRD测试表明,激光冲击强化后衍射峰位置没有发生变化,但有展宽。激光3次冲击后可在表面形成一层纳米晶,晶粒大小为30~60 nm,且取向随机。位错运动是Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金晶粒细化的主要原因。     

多次激光冲击强化对Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金微观组织及力学性能的影响（英文）

对Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金进行了不同能量和冲击次数的激光冲击强化,通过残余应力、显微硬度、XRD和TEM分析其对力学性能和微观组织的影响。结果表明,功率密度和冲击次数对残余应力和显微硬度都有较大影响,激光冲击强化后,显微硬度和残余应力都有大幅度提升,并形成一定厚度的变形层,增加冲击次数或者增大功率密度都可提高其幅值和影响深度。不同冲击参数下的XRD测试表明,激光冲击强化后衍射峰位置没有发生变化,但有展宽。激光3次冲击后可在表面形成一层纳米晶,晶粒大小为30~60 nm,且取向随机。位错运动是Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金晶粒细化的主要原因。     

激光冲击诱导的航空铝合金表层高熵结构及其抗蚀性

用7075-T76航空铝合金进行激光冲击表层改性实验,借助SEM和TEM分析冲击层的微观结构、表层获得的非晶/纳米晶复合材料高熵合金层的演变过程和成因及力学性能与抗腐蚀性能.结果表明,激光冲击的超高能量、超快过程导致的绝热剪切热效应诱导材料表层合金体系发生熵增效应及重新配分.合金体系混合熵的增大促进组元间的混乱度增高,弱化了杂质原子的不良作用.激光冲击提供的外场能量促进熵的增量转化为合金中形成非晶态组织所需Gibbs自由能ΔGconf的降低.多组元铝合金在多次激光冲击强大的外场能量作用过程中,各组元间按照Boltzmann定律自发重组,动态析出的纳米晶组织则发挥过程中体系不平衡度的协调作用,使所获高熵非晶组织更符合Boltzmann关系的热力学要求.通过热力学自调整和微结构重组,激光冲击层最终由非晶/纳米晶颗粒复合组成.同时,激光冲击的超高应变率诱导的强烈微观应力使时效析出相发生整体塑性形变,产生平行分布的形变孪晶,协同吸收激光冲击能量.由于晶界强化消失和位错密度降低,激光冲击主要体现为结构重组效应.激光冲击表层的硬度在单次激光冲击后有所提高,随冲击次数增加,硬度逐步与基体硬度持平.激光冲击造成的强烈形变可使铝合金表层内纳米晶尺寸减小至2~3 nm.非晶态消除了在第二相周围的原电池腐蚀,从而使航空铝合金7075-T76表面激光冲击所获非晶/纳米晶复合材料表层的抗腐蚀性能明显改善.     

铝合金电弧增材与激光冲击强化复合制造组织与性能

对电弧增材铝合金试样进行激光冲击强化,观察激光冲击强化对电弧增材铝合金材料的现象,分析了激光冲击强化对电弧增材铝合金微观组织和力学性能的影响。激光冲击强化后,未影响区域的微观结构与电弧增材试样的结构相似,由细长的柱状晶区和位于柱状晶区之间的细小等轴晶区组成;受影响区中杂乱分布着的中等大小的等轴晶及较长的柱状晶。激光冲击改变了材料微观结构,出现了中等大小的等轴晶,减少了气孔。激光冲击强化后,增材铝合金表面均产生了残余压应力场,在合理的工艺参数下,可以获得最大残余压应力约为-124 MPa。在不同试验参数下,冲击能量、冲击次数和搭接率的提高都能增加铝合金的显微硬度和影响深度,证明激光冲击强化技术显著提高了电弧增材铝合金试样表面性能,在改善力学性能方面有重要作用。     

2A02航空铝合金激光冲击诱导的表层纳米化

采用输出波长为1064 nm、脉冲宽度为20 ns的调Q钕玻璃激光,对2A02航空铝合金板表层进行了激光冲击,用透射电镜及其高分辨像的傅里叶过滤像分析了激光冲击后样品表面的微结构演变,研究了激光冲击诱导的纳晶化行为与形成机理及其对表面性能的影响。结果表明,激光冲击能在2A02航空铝合金板表面形成直径为～100 nm的纳米晶;表面纳晶层的硬度比基体提高54.5%。分析认为2A02铝合金表面纳晶化过程是激光冲击超高应变率和超高能量共同作用下由位错和空位等非平衡缺陷诱导的晶粒分化过程。     

激光冲击处理对2024铝合金疲劳性能的影响

研究了激光冲击处理对２０２４－Ｔ６２铝合金疲劳性能的影响,结果表明：激光冲击处理后,铝合金疲劳寿命显著提高,疲劳裂纹扩展速率大大降低,表面粗糙度降低,位错密度增加,表面出现残余应力和表面硬度提高是激光冲击处理改善铝合金疲劳性能的主要机制。     

激光冲击处理对2024铝合金疲劳性能的影响

研究了激光冲击处理对２０２４Ｔ６２铝合金疲劳性能的影响。结果表明：激光冲击处理后,铝合金疲劳寿命显著提高、疲劳裂纹扩展速率大大降低。表面粗糙度降低、位错密度增加、表面出现残余压应力和表面硬度提高是激光冲击处理改善铝合金疲劳性能的主要机制     

2A14铝合金的固溶-冷变形-时效工艺

采用X射线衍射仪(XRD)、维氏硬度计、场发射扫描电镜对固溶-冷变形-时效工艺条件下2A14铝合金的位错密度、硬度曲线以及微观组织结构进行研究。研究表明,原始2A14铝合金中主要包括Al基体及Al2Cu相,且粗大的第二相Al2Cu不均匀地分布在Al基体上;固溶-冷变形-时效后2A14铝合金脱溶相更加细小,且弥散分布在Al基体上。时效过程中位错密度逐渐减小,位错强化效果减弱;传统固溶-时效工艺的2A14铝合金在160℃时效12 h时,维氏硬度从100 HV0.2提高到164 HV0.2,而固溶-冷变形-时效工艺的2A14铝合金在160℃时效8 h后维氏硬度达到185 HV0.2。时效前的冷变形工艺改变了合金的时效析出行为,加速了时效进程,提高了合金强度。     

7A04表面纳米化组织的热稳定性

用旋转辊压塑性变形方法在7A04铝合金表层获得纳米晶组织,用DSC和透射电镜研究了表面纳米晶组织的热稳定性.DSC测试结果表明7A04铝合金表面纳米晶的再结晶温度在473K左右,透射电镜分析表明表面纳米化样品473K退火后晶粒没有明显长大,平均晶粒尺寸约100nm.旋转辊压变形160min,表面层显微硬度由160HV升高到335HV,473K退火后显微硬度下降至250HV,但仍高于基体,573K退火后从表层到基体的显微硬度均明显下降.结果表明7A04表面纳米化组织的使用温度在473K以下.     

2A12铝合金时效成形的微观组织和力学性能

对2A12铝合金进行时效成形和人工时效的对比实验,考察时效成形对其微观组织和力学性能的影响。结果表明：与人工时效相比,时效成形过程中由于应力的存在,使得合金在时效成形后晶粒被进一步压扁、拉长,沉淀相由取向随机分布的点状变为具有一定方向性的长条状,同时其位错形态由位错圈或蜷线位错向长直态位错转变。时效成形后,合金的拉伸性能、断裂韧性均比人工时效时的略有降低,疲劳裂纹扩展速率却有所提高。     

薄板2524铝合金激光填丝焊接工艺及组织性能

2524铝合金是具有优异损伤容限的新型航空高强Al-Cu-Mg合金.采用高功率光纤激光器焊接1.6 mm厚2524铝合金,研究了填充5087焊丝情况下,激光功率、焊接速度和填丝速度对焊缝成形、热裂纹倾向和焊缝显微组织的影响,优化焊接工艺参数,考察接头静态拉伸性能.结果表明,采用填充材料后,焊缝柱状枝晶生长方向性明显减小、晶粒细化、晶界共晶增多、热裂纹倾向降低.当激光功率为2.5 kW,焊接速度为2 m/min,填丝速度为2 m/min时,可获得成形良好、无缺陷的焊缝,接头抗拉强度达到313~324 MPa,拉伸断裂于接头熔合线附近,断口处有大量韧窝,呈韧性断裂特征.     

不同预弯半径下2A12铝合金时效成形

研究2A12铝合金在不同预弯半径下的时效成形,并考察时效成形与人工时效后合金的微观组织和力学性能的差异.结果表明:与人工时效相比,时效成形过程中,由于应力的存在,使得合金在时效成形后晶粒被进一步压扁拉长,晶内沉淀相由点状变为长条状且呈现出一定的方向性,同时,其位错形态由位错圈或蜷线位错向长直态位错转变.时效成形后,合金的拉伸性能和断裂韧性均比人工时效时的略有降低,回弹率随预弯半径的增大而增大.预弯半径的变化对沉淀相的尺寸和数量以及时效成形后合金的力学性能均无明显影响.     

近海含SO_2环境中高压隔离开关铝合金部件的组织及腐蚀特征

运用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对近海含SO_2环境中使用过的高压隔离开关2A12-T4铝合金部件的组织以及腐蚀特征进行分析。结果表明:2A12-T4铝合金晶粒沿变形方向拉长,并形成了一定数量的亚晶;主要的第二相是T相,并有大量的位错缠绕在T相周围。2A12-T4铝合金主要的腐蚀产物是Al(OH)_3和Al2(SO_4)_3·14H_2O,腐蚀主要受到湿润条件下Cl-和SO_2两种腐蚀性介质的联合作用,而拉长变形的晶粒以及第二相粒子则加速了腐蚀。     

等径角挤压2A12铝合金超细晶组织结构研究

使用Φ=90°和ψ=30°的挤压模具在室温下对2A12铝合金进行了8次等径角挤压,成功制备了晶粒尺寸为200nm左右、具有大角度晶界的块体超细晶材料,并且采用HitachiS-800透射电镜,研究了挤压过程中2A12铝合金的组织结构及其变化。结果表明挤压一次后,晶粒内位错密度急剧增加,形成位错纠缠,晶粒细化效果最明显;挤压前分布在α-Al基体上的针状第二相Al2Cu和颗粒状Al2Cu Mg,在剪切力的作用下,针状Al2Cu变成颗粒状,弥散分布在α-Al基体上,Al2CuMg颗粒因晶粒细化进入了晶界位置,而且在以后的挤压中,这些化合物颗粒大小基本保持不变。继续挤压,位错逐渐由晶内移动到晶界上,在晶界上形成胞状组织,最后逐渐变成了清晰的小角度晶界或大角度晶界,从而实现组织的超细化。     

强激光冲击诱导铝合金中的空位现象分析

利用输出波长为1064 nm、脉冲宽度为20 ns的钕玻璃YAG激光,对2A02铝合金进行了表面冲击试验。通过对激光冲击处理试样的HREM高分辨像观察,分析了激光冲击2A02铝合金材料微结构中的空位现象。结果表明,考察区域在激光冲击超高应变率作用下,在形成大量位错的同时,伴随形成相应的空位;空位片成为激光冲击超高应变率形变条件下铝合金基体中的特征微结构;空位和位错的重组作用加剧了点阵畸变,引起的第三类内应力和纳晶化提高了激光冲击表面的硬度和残余压应力。     

Regulation Mechanism of Novel Thermomechanical Treatment for Microstructure and Properties of 2E12 Aluminum Alloy

采用拉伸试验与疲劳裂纹扩展试验,以及扫描电子显微分析与透射电子显微分析,研究了热机械处理对2E12铝合金的拉伸力学性能、疲劳性能以及微观组织结构的影响。采用本热机械处理可以使2E12合金同时获得优异的强度与塑性配合,其屈服强度较T3提高了28%,抗拉强度也提高了17%,同时其延伸率仍维持T3水平（16%以上）。热机械处理样品裂纹扩展速率低于T3及T6峰时效状态。热机械处理状态的合金中包含大量相互缠结的位错,并形成了位错胞状组织。新型热机械处理大幅提升合金综合性能的机制是多种复合组织结构的协同作用,包括位错亚结构、Cu/Mg溶质原子团簇及空位复合体、GPB区等     

Grain refinement of LY2 aluminum alloy induced by ultra-high plastic strain during multiple laser shock processing impacts

The plastic deformation behavior and the effects of the impact time on the LY2 aluminum (Al) alloy during multiple laser shock processing (LSP) impacts were investigated. The residual stress in the near-surface region was determined by X-ray diffraction. In addition, the micro-structural features of the hardening layer were characterized by scanning electron microscopy, optical microscopy and transmission electron microscopy. It was found that the micro-structure was obviously refined due to the ultra-high plastic strain induced by multiple LSP impacts. The minimum grain size in the top surface after multiple LSP impacts was about 100–200 nm. The grain refinement process after multiple LSP impacts can be described as follows: (i) the formation and development of dislocation lines in original grains; (ii) dislocation tangles (DTs) and the formation of dense dislocation walls (DDWs); (iii) transformation of DTs and DDWs into subgrain boundaries; and (iv) evolution of the continuous dynamic recrystallization in subgrain boundaries to refined grain boundaries.     

低功率激光辐照对弯曲成形件表面残余应力的影响

目的 针对航空铝合金构件维修加工后存在残余拉应力,进而影响部件使用寿命的难题,研究一种基于低能量输入激光辐照消减构件表面残余应力的方法.方法 采用激光辐照材料残余应力集中区域,通过激光热作用诱导弹性内能转化为塑性功,从而降低残余应力.为了验证该方法的可行性,对2A12铝合金试样进行四点弯曲加载,通过不均匀塑性变形产生残余应力,再通过激光扫描应力集中区域诱导表面残余应力局部释放.结果 采用X射线衍射法测量表面残余应力的结果表明,激光扫描后,试样表面的残余拉应力完全消除,当激光功率增大到95 W时,残余应力可以消除77％左右.通过理论分析和微观形貌对比,发现材料在激光辐照前后并没有相变.通过分析材料Al(311)晶面X射线衍射峰半高宽的变化,发现激光辐照使材料表面位错密度下降,随着激光功率增大,位错密度下降幅度增大,这也是残余应力降低的原因之一.结论 在不改变材料微观组织的前提下,采用低功率激光辐照可以显著降低材料表面残余应力分布.     

基于响应曲面法的铝合金激光封边焊接

采用响应曲面法对2A12铝合金激光封边焊接进行了研究,结果表明,2A12铝合金激光封边焊接焊缝几何特征的主要影响因素依次为离焦量、焊接速度和激光功率. 2A12铝合金激光封边焊缝的显微组织自熔合线向上依次呈现较粗大的胞状树枝晶、细小的胞状树枝晶和等轴晶. 在熔合线附近和过渡区域,强化相沿晶界分布;而在焊缝中心区域,还有少量强化相分布于晶粒内部. 与正离焦量相比,负离焦量时,焊缝的晶粒尺寸较大并且镁元素烧损也更加严重,使得强化相CuMgAl₂含量降低,导致强化效果减弱和焊缝硬度降低. 离焦量为 + 2 mm和?2 mm时,激光封边焊接的气密性均良好.