激光冲击强化对2524铝合金疲劳寿命的影响

目的探索激光冲击工艺参数对2524铝合金疲劳寿命的影响。方法开展不同激光能量、不同冲击次数下的激光冲击强化实验,测试其残余应力和表面硬度,并进行裂纹扩展实验和显微组织观察。结果激光冲击强化能显著提高材料的表面硬度,且材料的硬度值随着冲击能量和冲击次数的增加而递增,但硬度增长率随冲击次数增多而降低。激光冲击强化在试样表层形成较大的残余压应力,使用6.25 J的激光能量冲击1次,最大残余压应力可达-222MPa,并且残余压应力随着激光能量和冲击次数增加而增加,但冲击强化次数存在阈值。相较于未冲击试样,激光冲击1次的试样的疲劳寿命提升32%,冲击2次的疲劳寿命提升41%。对试样断口进行微观形貌观察,在裂纹长度为28 mm处,未冲击试样、激光冲击1次和冲击2次试样的疲劳条带间距分别为1.06、0.628、0.488μm,裂纹扩展速率分别为1.06×10^-3、6.28×10^-4、4.88×10^-4 mm/N。结论激光冲击强化能显著提高2524铝合金的表面硬度,并在表面产生较大的残余压应力。激光冲击强化能够有效迟滞2524-T3铝合金的疲劳裂纹扩展速率,进而有效延长疲劳寿命。     

The Effect of Surface Engineering Treatments on the Fatigue Behavior of 2024-T351 Aluminum Alloy

The work examines the effect of controlled shot peening (CSP), laser shock peening (LSP) and ultrasonic impact treatment (UIT) on the fatigue behavior of 2024-T351 aluminum alloy. The testing methodology has been designed to extract information regarding specific products of the treatments and their individual affect on fatigue damage. The work concludes that all three surface treatments improve the fatigue resistance of the material with the LSP covering the areas of safe-life and damage tolerance, the control shot peening can only benefit the area of short crack growth while the UIT proved to benefit both the short and long crack growth.     

Bimodal nanocrystallization of NiTi shape memory alloy by laser shock peening and post-deformation annealing

In this paper, surface nanocrystallization of NiTi intermetallic alloy by a novel method is reported. The NiTi alloy is processed by laser shock peening (LSP) and controlled annealing. The microstructure of the NiTi alloy after processing is characterized by transmission electron microscopy. At the top surface of the material, a nanostructure with bimodal grains is obtained. The mechanism of the formation of the bimodal microstructure is discussed. At the material subsurface, deformation twins are generated by LSP and retained after controlled annealing. Tensile test results showed that both strength and ductility are significantly improved through LSP and controlled annealing.     

新一代激光冲击强化系统对5052铝合金电化学性能的实验研究

利用新一代激光冲击强化系统对5052铝合金试样进行了激光冲击强化处理,通过实验研究了试样的电化学性能,并对材料的物相、表面硬度、腐蚀形貌进行了检测与分析。结果表明:经过激光冲击强化一次、两次后,材料没有发生相变,表面硬度分别提高了7.0%和19.8%,腐蚀速率分别下降了27.0%和35.0%。因此,激光冲击强化处理能有效抑制腐蚀裂纹的扩展,显著提高材料的耐腐蚀性。     

Self-Nanocrystallization of Ti-6Al-4V Alloy Surface Induced by Laser Shock Processing

应用激光冲击强化技术（也叫激光喷丸）对TC4钛合金表面进行处理。由于其作用过程产生的高幅值压力（GPa量级）、短脉冲（ns量级）、高应变率(>106s-1)使材料表面实现纳米级晶粒细化成为可能,进而进一步提高材料表面性能。同时,应用该技术在TC4钛合金表面实现纳米级晶粒细化较少有系统的研究与报道。采用Q触发钕玻璃激光器,在一定条件、一定参数下,实现了TC4钛合金的表面纳米化,并对其形成机理进行阐述与分析。在实现材料自纳米化的同时,没有引入其它杂质粒子,保持了原母材的成分稳定性,且表面微动耐磨损性能得到了提高。开展该技术的深入研究,也可为材料表面纳米化提供另一种可行的途径与方法     

GH4133镍基高温合金激光冲击强化研究

为了研究激光冲击强化技术在高温部件上应用的可行性,研究了GH4133镍基高温合金激光冲击后强化效果的热稳定性。分别采用激光冲击强化、激光冲击强化加保温的方法进行处理,并利用SEM、显微硬度和残余应力的测试方法分析了温度对激光冲击处理后GH4133材料微观组织和力学性能的影响。通过冲击强化后涡轮叶片的高温疲劳试验验证强化效果的热稳定性,并分析其高温下的强化机制。结果表明,激光冲击强化可以在GH4133镍基高温合金表层产生较大残余压应力,细化晶粒;并且在温度作用下,激光冲击GH4133合金形成的细化晶粒在析出相的钉扎作用下具有较好的热稳定性。另一方面残余压应力的应力集中减小,分布均匀。两者的共同作用提高了强化效果的热稳定性,有利于疲劳性能的提高。     

激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响(Ⅰ)

当短脉冲、高峰值功率密度 (>10 13 W /m2 )的激光辐射金属靶材时 ,就产生高温、高压等离子体 ,该等离子体受到约束层的约束时产生高强度应力波冲击金属表面并向内部传播 ,在材料表面产生应变硬化 ,称这种表面强化技术为激光冲击处理或激光喷丸。激光冲击处理可以提高材料表层硬度、强度 ,并获得比传统的喷丸技术更深的硬化层或残余压应力层 ,从而更有利于材料疲劳性能的提高 ,为研究激光冲击处理在焊后强化方面的应用 ,本文对 1.6 6mm厚的镍基高温合金GH30、1.2mm厚的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti板材焊缝进行了激光冲击处理 ,对比了激光冲击处理试件和未经激光冲击处理试件焊逢的表层显微硬度、残余应力、抗拉强度和疲劳寿命 ,发现激光冲击处理能提高GH30氩弧焊焊接接头抗拉强度 12 % ,提高 1Cr18Ni9Ti等离子焊接接头疲劳寿命30 0 %以上。     

激光冲击选区强化对2024铝合金叶片振动响应特性的影响

目的 探究激光冲击强化技术对2024铝合金叶片振动性能的影响,并探寻最理想的冲击参数.方法 运用Johnson-Cook动态塑性本构模型模拟激光冲击选区强化过程,对强化后的2024航空铝合金叶片的振动特性进行分析.将2024铝合金在激光冲击强化过程中产生的残余应力场和梯度密度分布导入模型,量化激光冲击强化对2024铝合...     

Investigation on the surface and near-surface characteristics of Ti-2.5Cu after various mechanical surface treatments

As a result of the variety of mechanical surface treatments, studies of surface and near-surface characteristics are becoming increasingly important in a variety of industrial fields. This is to achieve more gains by balancing between optimum conditions and costs. In the present study, shot peening (SP), ball-burnishing (BB), laser shock peening (LSP) and ultrasonic shot peening (USP) processes were performed on the α-titanium alloy Ti-2.5Cu after two different heat treatments. The influence of such surface treatments on the surface and near-surface characteristics, such as residual stress, work hardening or dislocation density and surface roughness, was studied. The depth profiles of residual stress and full width at half maximum (FWHM) were obtained by using energy-dispersive X-ray diffraction. Results show that the BB process produced the highest and deepest maximum residual stress and LSP produced the lowest work hardening close to the surface.     

激光冲击强化效果的无损检测

激光冲击强化技术(又称激光喷丸)是利用强脉冲激光产生的压力冲击波在金属材料表层产生应变硬化的一种新型表面强化技术.激光冲击强化后的工件必须进行检验,在实际工程应用中,由于强化处理后的工件常常不可能再进行破坏性实验来检验强化效果,因而进行合理的激光冲击强化效果的无损检测是激光冲击技术工程应用的关键.本文提出了用残余应力、表面粗糙度、显微硬度等来检验激光冲击强化的效果,并用实例加以验证.     

激光冲击强化提高TC4叶片振动疲劳性能

针对典型钛合金TC4进行激光冲击强化(LSP)参数设计,对强化后残余应力分布规律进行测量,应用透射电子显微镜对强化后表层微观组织进行观察,对有无LSP钛合金叶片进行不同应力水平下的振动疲劳对比试验。研究表明,TC4钛合金LSP最佳功率密度为3.5GW/cm2,LSP在材料表层产生高数值的残余压应力场,表面残余应力可达-610MPa,最大值约-650MPa位于距离表面100μm处。LSP在钛合金表层产生纳米晶,纳米晶尺寸在几个至几十纳米。钛合金叶片LSP后疲劳极限由430 MPa提高至560 MPa,升高30%;在560MPa应力水平下,中值疲劳寿命提高为原来的200%以上;LSP在钛合金表层产生的残余压应力场和纳米晶共同作用显著提高了钛合金叶片的抗疲劳性能。     

新型光斑搭接对平顶激光冲击钛合金力学性能的影响

针对平顶光束的特点,为简化工艺,提高加工效率,提出了一种简化加工过程的搭接率工艺方法。采用一种纵向25%、横向56.5%的搭接率工艺,并对该搭接率下的残余应力、显微硬度、高周疲劳极限等力学性进行验证,对比其与传统50%搭接率下的性能差异。结果表明：在新型搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面产生的残余压应力均值为-564.5 MPa,影响深度达0.82 mm;在传统搭接率下,表面产生的残余压应力均值为-559.2 MPa,影响深度达0.81 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面重叠次数多的位置,显微硬度平均值分别为570.9和562.6 HV_0.3,重叠次数少的显微硬度平均值分别为432.1和453.4 HV_0.3;钛合金截面上的硬化层深度均为0.4 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶光束冲击钛合金的疲劳极限分别为256.3和264.6 MPa。基于平顶光束,与传统工艺相比,简化的新型搭接率工艺可以获得较好的力学性能,并提高加工效率,降低加工成本。     

TC17钛合金激光冲击温强化机制的研究

目的提高材料在交变载荷和高温下的疲劳性能,稳定材料的位错结构,增加位错的钉扎效果,使激光诱导的残余压应力更加稳定,有效地抑制强化效果的高温失稳。方法通过提高温度发生动态应变时效(DSA),并与激光冲击温强化(WLSP)结合,使得材料表面形成更深的残余应力层和纳米级沉淀相。对TC17钛合金温控激光冲击强化后的显微硬度、残余应力等性能进行了初步探索。结果经200℃的WLSP后,TC17钛合金的显微硬度可达385HV,相比未强化时提高了18.48%,相比于室温的LSP提高了4.62%。深度方向的残余压应力幅值呈现先增大后减小的趋势,200℃时残余应力达到-236 MPa,相比于常温强化提高了14.56%。观察微观组织发现,位错结构的稳定性和位错密度得到提高。结论激光冲击温强化(WLSP)技术提高了材料表面残余压应力层的高温稳定性,有利于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,有效地提高了高温条件下残余应力和表面强度的稳定性。该技术操作相对简单,无污染,残余应力高温维稳效果显著。     

铝合金紧固孔复合强化工艺研究

目的研究激光喷丸-冷挤压复合强化工艺对7050铝合金紧固孔疲劳源、疲劳寿命的影响。方法利用ABAQUS软件进行复合强化工艺的有限元仿真,并在强化后施加循环载荷获得残余应力数据,然后在应力水平为195 MPa、应力比为0.1的条件下进行疲劳实验,并把仿真和疲劳实验的结果与激光喷丸、冷挤压进行对比。结果复合强化工艺能同时对表面和孔壁进行强化,复合强化工艺比激光喷丸表面和孔壁的残余压应力大,循环载荷下两者残余应力的差异减小。冷挤压工艺表面全部是拉应力,循环载荷下挤出面孔角附近的残余应力由-928 MPa变为300 MPa。未处理紧固孔的疲劳源位于孔角处,激光冲击强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,冷挤压紧固孔的疲劳源位于挤出面孔角附近,复合强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,复合强化紧固孔的疲劳裂纹扩展区面积最大。未处理、激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命分别为65 918、165 117、114494、225 209。结论与未处理的紧固孔的疲劳寿命相比,激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命都有所增加,复合强化的紧固孔的疲劳寿命最大,复合强化能够进一步提高紧固孔的疲劳寿命。激光喷丸和复合强化诱导的残余压应力层能够抑制疲劳裂纹萌生于表面,而冷挤压工艺则不能。     

基于空气中冲击波信号能量的激光冲击强化在线检测方法

目的 为克服激光冲击强化现有离线检测方法的缺点,提出了一种基于空气中冲击波信号能量的激光冲击强化在线检测方法。方法 利用波长为1064 nm、脉宽为14 ns、单脉冲能量为5~7 J的Nd:YAG激光器对经过振动时效处理的TC16钛合金试件进行激光冲击强化处理。用自主研制的信号放大器对空气中的冲击波信号进行一级放大后,再经前置放大器、数据采集卡传输到计算机控制系统,从而实现对空气中冲击波信号的采样、存储、滤波和数据分析,并从中提取冲击波信号能量。用X-350A型X射线应力测定仪测量TC16钛合金试件经激光冲击强化处理后的表面残余应力。最后对所得实验数据进行多项式拟合,以获得材料表面残余压应力与冲击波信号能量之间的经验公式。结果 经激光冲击强化处理后,材料表面形成了一定大小的残余压应力。随着激光能量的增加,材料表面残余压应力及冲击波信号能量均增加,且二者的增加趋势一致。结论 在激光冲击强化过程中,对空气中传播的冲击波信号进行采集和提取其信号能量,可以预测试件经激光冲击强化处理后的残余应力,能够准确判断激光冲击强化质量,从而实现工业过程的在线检测。     

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径ø4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。     

激光冲击Ti834合金强化层显微组织演变

激光冲击强化(laser shock processing,LSP)作为一种全新的表面强化技术凭借其强化效果好、可控性强、适应性好等优点在提高关键零部件服役寿命上发挥着不可替代的作用。本研究采用透射电子显微镜(TEM)观察LSP试样塑性变形层内显微组织结构特征的演变,构建了不同冲击次数下表层和深度方向上的显微结构演变示意图。结果表明,Ti834合金经激光冲击强化后塑性变形层内产生大量位错,且随着冲击次数的增加,塑性变形愈加剧烈,位错密度也进一步增加。沿深度方向上可以观察到随应变率递减而形成的典型微观结构特征,其中包括有形变孪晶(MTs),高密度位错墙(DDWs),位错缠结(DTs),位错阵列(DAs)和位错线(DLs)等。     

Microstructure and Mechanical Properties of Ti6Al4VAlloy by Laser Integrated Additive Manufacturing with Alternately Thermal/Mechanical EffectsEI北大核心CSCD

To meet the requirements of the long fatigue life and high reliability of the key components of the aeroengine as well as solve the challenges of"structure control"and"performance control"based on the fact that plastic deformation can effectively eliminate internal stress and close metallurgical defects generated by the thermal effect, a laser integrated additive manufacturing technology with alternately thermal/mechanical effects is developed. In this study, Ti6Al4V alloy was chosen as the research object. The distributions of residual stress and metallurgical defects and the microstructural evolution of the formed components were systematically studied. The effects of surface laser shock peening (LSP) and interlayer LSP without coating (LSPwC) treatments on mechanical properties were investigated using a tensile test. The results showed that after LSP, tensile residual stress was transformed into compressive residual stress. Additionally, laser shock waves could effectively improve the metallurgical defects in selective laser melting (SLM)-formed components. Moreover, high-density dislocation structures and numerous twins in two directions were produced in coarse alpha' martensite by laser shock waves, which jointly promoted the grain refinement of a' martensite. The ultimate tensile strength and elongation of Ti6Al4V fabricated by the laser integrated additive manufacturing technology with alternately thermal/mechanical effects reached 1543 MPa and 15.53%, which are 46.5% and 91.5% higher than those of the SLM-formed components, respectively, yielding a good combination of strength and ductility.     

基于声发射信号的铝合金LSP弹塑性波传播规律探究

目的 为提高激光冲击强化(LSP)的声发射(AE)监测精度,结合AE监测技术与LSP弹塑性波理论,探究LSP过程中弹塑性波传播规律。方法 首先,基于弹塑性波理论设计LSP试验,采用AE监测技术实时获取冲击信号,并测量冲击后铝合金7075的塑性变形程度。然后,基于AE信号的时域波形,提出包络欧式距离法,确定对加工质量敏感的感兴趣片段(FOI)。进一步基于FOI,结合实际加工条件,定义了新的累积AE波形熵特征。最后,基于AE信号的多模态和非平稳信息,定义瞬时峰值能量曲线(IPEC),并进一步提取相关特征,从而探究弹塑性波传播规律、衡量传感器优劣。结果 仅包含弹性波的AE信号波形明显区别于弹塑性双波,塑性波传播速度明显落后于弹性波。包络欧式距离法确定的FOI能很好地定位弹塑性波。相较于AE波形熵,累积AE波形熵特征能很好地区分不同程度的弹塑性波。对比弹性波,塑性波主要集中在中低频段(200 kHz以下)。IPEC曲线精准确定31 kHz模态为塑性波的主要成分。进一步提取的峰值变化量 和峰值延迟时间 表明:相较于谐振传感器,宽频传感器对塑性波更加敏感。结论 所提方法和特征分别从时域和时频域上探究了弹塑性波的传播规律,所得的结论为规范和提高LSP的AE监测技术提供了理论支持与指导。     

2A12铝合金在激光冲击下的组织与性能

分析了激光冲击加载下2A12铝合金组织和力学性能的变化规律,得出以下结论:激光冲击会使2A12铝合金位错密度大幅增加,晶界和晶内出现位错塞积、位错胞状组织等;随变形量的增加,结构中出现大量孪晶,二者互相作用,晶粒破碎细化。这些组织都会不同程度增加2A12铝合金的硬度和强度,从而有效地改善2A12铝合金的力学性能。激光冲击后,冲击区中心点硬度由94 HV升高到145 HV,升高了大约54%。