激光冲击强化技术原理及其应用研究

文章介绍了激光冲击强化技术的基本原理与特点;总结了激光冲击强化技术的国内外发展现状与成果;并对激光冲击强化技术未来发展趋势进行了展望。     

激光除漆对Ti17合金表面组织性能的影响

目的研究激光除漆对Ti17合金表面组织性能的影响机理,探讨激光清洗在去除污染物的同时是否可以改善基材的组织性能。方法在预处理的试样表面均匀喷涂一层厚度约为50μm的丙烯酸树脂哑光黑色油漆,采用脉冲光纤激光器在不同功率(10、15、20W)下对试样进行脱漆处理。采用白光干涉表面轮廓仪观测试样表面的三维形貌,采用金相显微镜观察试样表面的微观组织,采用显微硬度测试仪测量试样的表面显微硬度,采用表面粗糙度仪测量试样的表面粗糙度。结果经过激光除漆处理后的试样表面均出现了大量凹坑和白色褶皱硬化层,表面显微硬度均得到提高,平均增幅在5%左右,表面粗糙度变化不大,在亚微米级。激光功率为15 W时,白色硬化层分布均匀,厚度约为10μm,表面显微硬度增幅最大,为6.9%,表面粗糙度下降了0.07μm,清洗效果较优。结论激光清洗处理通过选取合适的激光参数,可以在去除污染物的同时,一定程度上改善基材的表面性能。     

TiAl合金激光冲击强化表面微观形貌演变分析

针对TiAl合金进行激光冲击强化,研究多晶体在强化过程中表面微观形貌演变,发现经过单点激光冲击的试样表面形成的凹坑中存在一些分布不均匀的凸起结构,凸起结构相对高度范围为100～300 nm,凸起边缘为环状凸台;研究激光冲击能量密度对表面凸起结构的影响,发现随着激光能量密度增加凸起结构的数量明显增加,凸起相对高度有增加的趋势,同时凹坑中心平均表面粗糙度明显增加;研究搭接率为50%的多次冲击形貌变化,发现相比于单次冲击,多次冲击凸起数量明显减少,表面粗糙度略有增加,这是因为随着冲击次数增加弹性变形和塑性变形趋于一种饱和状态,弹性变形部分发生回弹。分析表面凸起结构形成机制,建立不均匀塑性变形流模型和冲击波叠加模型,激光冲击强化形成的表面形貌是2种模型相互耦合作用的结果。     

线偏振激光斜冲击实验与理论研究

目的研究激光冲击强化中冲击角度对强化效果的影响。方法采用波长为1064 nm、脉冲能量为7 J、脉冲宽度为12 ns的YAG激光器对TC4钛合金表面进行冲击强化处理,得到经不同偏振方向、冲击角度冲击后的材料的表面形貌、硬度和残余应力。通过菲涅耳定律分析了不同偏振光斜冲击加工效果的差异。结果随着冲击角度的增大,冲击后形成的微坑深度逐渐减少,且正交偏振光减少的程度大于平行偏振光减少的程度,在超过30°的时候尤为明显。随着冲击角度的增大,试样表面显微硬度逐渐下降,当用平行偏振光斜冲击时,硬度下降较慢;而用正交偏振光斜冲击且冲击角度超过15°时,硬度下降较快。随着冲击角度增加,由于"残余应力洞"的影响,中心残余压应力值先增大后减少。结论在一定情形下,选用一定角度的斜冲击可以有效避免残余应力洞的产生。该研究得到的结论可以为复杂结构件激光冲击强化冲击轨迹规划提供一定的参考。     

高斯模激光冲击钛合金薄壁件应力场的演变机制

采用数值模拟方法,研究了激光冲击不同厚度钛合金零件时沿零件表面和深度方向的残余应力场分布规律,并通过动态分析,研究了冲击波在不同平面间的反射情况。结果表明,当其他参数不变时,试样的正面残余应力随厚度的增大而增大,而反面残余应力随厚度的增大先增大后减小。当试样厚度为4mm时,正面显微硬度最大值为440.2HV;当试样的厚度为2mm时,反面显微硬度最大值为416.1 HV。冲击波与声阻抗接触面作用产生的拉伸波与压缩波对残余应力场的分布有显著影响。     

TC17钛合金激光冲击强化实验研究

目的探索更为高效的激光冲击强化方式,提高TC17钛合金板片的疲劳寿命。方法先采用设备4个光路对TC17钛合金板片进行强化,强化试验结束后,应用LXRD-X射线应力分析仪测定其表面残余应力,再对板片进行表面粗糙度测试。选取新的板片进行应力分布测试,确定TC17钛合金板片在一阶弯曲振型下的应力水平,然后在该应力水平下对经冲击强化和未经冲击强化的板片进行疲劳对比试验。结果板片表面产生了残余压应力层,在相同激光能量下,椭圆形光斑强化区域的残余应力大约是方形光斑强化区域的1.33倍,且椭圆形区域各点残余应力数值相差更小。强化区域的表面粗糙度为0.25~0.34 mm,未强化区域的表面粗糙度为0.13~0.16 mm。疲劳试验时,未经激光冲击强化的板片均在6~11 min内发生断裂,而经激光强化后的4块板片中,1块未断裂,另外3块分别在59、381、709 min断裂。结论激光冲击强化对材料性能起到了强化作用,且椭圆形光斑的强化优于方形光斑。强化后,板片的表面粗糙度增加了1倍,疲劳寿命提高了52倍。     

TC17钛合金激光冲击温强化的数值模拟研究

目的掌握激光冲击温强化温度对强化效果的影响规律方法通过有限元模拟的方式,对TC17钛合金激光冲击温强化温度对残余应力和塑性变形的影响进行了初步研究。结果随着温度的增加,残余应力先增加后减少,当温度为200℃时,表面和深度方向的残余应力最大,此时基体最大残余应力达到-238 MPa。随着温度的增加,塑性变形先增加后减少,当温度为200℃时,塑性变形量达到最大。不同冲击顺序会影响材料的流动方向,后冲击的激光使材料向先冲击激光留下的凹坑运动,从而影响材料的表面形貌。仿真分析与验证实验的最大残余应力相差5%,从侧面证明了仿真结果的准确性。结论温度是影响激光冲击温强化效果的重要因素。TC17钛合金在200℃时的强化效果最好,所研究的模拟方法为激光冲击强化温度仿真提供了一种新思路。     

温度辅助激光冲击强化对GH4169合金力学性能的影响

利用波长为1064 nm、脉宽为14 ns、单脉冲能量为5 J的Nd:YAG纳秒脉冲激光器对GH4169合金试件进行了常温激光冲击强化处理和温度辅助激光冲击强化处理;采用X射线衍射仪和HV-1000显微硬度计测量了强化处理前后试件的表面残余应力与表面显微硬度。实验结果表明:经激光冲击强化与温度辅助激光冲击强化处理后,试件表面引入了一定数值的残余压应力,同时表面显微硬度得到提高;但在残余压应力和显微硬度数值方面,经温度辅助激光冲击强化处理的试件均比常温激光冲击强化处理的试件要大,且随着辅助温度的增加,试件的表面残余压应力和表面显微硬度值均呈增加趋势。因此,在一定的温度范围内,采取温度辅助激光冲击强化的方式对GH4169合金进行处理,可以获得比常温激光冲击强化处理更好的强化效果,同时适当提高强化温度,在一定程度上可以进一步提高GH4169合金的强化效果。