TC4钛合金激光冲击强化塑性变形流动规律研究

以TC4钛合金为研究对象，采用数值模拟与试验相结合的方式，研究了激光冲击TC4钛合金表面金属塑性变形和体积流动规律，分析了塑性变形驱动金属表层体积流动、应力重构、晶粒细化的机制。研究结果表明：激光冲击塑性变形使得光斑中心区域材料向着边缘及材料内部流动。整体塑性变形体积数值计算结果显示：当功率密度为1.58、2.25、3.02 GW/cm²时，表面凹坑体积大致等于内部正向变形体积与表面环状凸起体积之和，在无相变体积改变的情况下，试件整体塑性变形符合体积不变定律；不同激光功率密度作用下的表面残余应力分布与表面塑性变形分布规律大致相同，存在对应关系；表面凹坑变形、环状凸起变形、内部凸起变形各区域粒径尺寸分别为99、108、136 nm，晶粒细化程度在表面凹坑区、环状凸起变形区域、内部正向变形区域依次递减。此外，光斑边缘出现的微凸起变形在受到搭接激光冲击作用后，再次发生塑性变形，微凸起变形在冲击载荷方向被压回，向着材料内部流动；凹坑表面各光斑边缘处依旧存在较小的微凸起变形。     

铝合金板激光冲击变形实验及有限元模拟

为了研究金属板料在脉冲激光辐照下的响应、激光冲击下板料的变形特性、激光脉冲能量对金属板料变形量的影响以及脉冲激光光斑内冲击波压力的分布情况,采用高功率钕玻璃激光系统对LD31板进行了单次冲击变形实验,同时利用有限元软件ABAQUS对板料变形过程进行了模拟。结果表明,激光冲击条件下板料变形时呈现粘塑性性质;激光脉冲能量是影响板料变形量的主要因素,且板料变形大小随脉冲能量的增加呈非线性增大;激光冲击时激光光斑作用区域内冲击波压力并不是均匀分布,而是沿径向减小。     

钛合金板料激光冲击变形的实验

为了研究不同的激光能量和不同的冲击路径、冲击次数对TA2钛合金板料变形的影响,借助于江苏大学研制的高功率Nd:glass激光冲击波装置,采用实验的方法,取得了不同条件下钛合金板料的变形数据.结果表明,随着激光能量的增加,板料的变形量增大;板料几何尺寸和厚度越大,板料越难变形;冲击区域的不平度,随前后光斑间隔的增大而增大,随光斑间隔的减小而减小.通过此类激光冲击实验可优化激光冲击的相关参数,预测板料变形.     

激光冲击调整5B05铝合金残余应力状态的模拟仿真

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台,建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型,研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明:随着冲击次数的增加,表层残余压应力逐渐增大,当冲击次数为3次时,增加并不明显,说明表面峰值残余压应力趋于饱和;在冲击压力一定的条件下,表面残余应力随光斑直径增大而增大,半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小,基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现,尽管实验值与模拟结果存在一定的误差,但总体趋势一致,说明建立有限元模拟模型结构有效可行。     

激光冲击波在铝合金薄板中传播特性研究

为了研究激光冲击波在铝合金薄板中的传播特性,采用数值仿真的方法,分析了不同节点路径下,冲击波在3003铝合金薄板中的传播特性。研究结果表明,激光加载初期,板料表面光斑边缘位置处应力最大,而板料表面中心区域仅为较小的波动,1000 ns后,表面波传播至板料上的凹模口对应位置,同时中心位置区域应力增大至200 MPa,塑性变形加大,板料变形不均匀,易出现减薄失效问题;沿激光冲击方向,经历60 ns压力波传播至板料自由面,并回传拉伸波,在102 ns左右,拉应力达到最大值1782 MPa,板料易出现层裂失效问题。因此针对激光冲击波在铝合金薄板中传播特性的研究对提高铝合金薄板激光冲击成形性能具有重要的意义。     

激光功率密度对小孔构件残余应力场的影响

激光冲击强化通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应力,从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展,是一种新型的金属表面强化技术。以ABAQUS有限元软件为平台,研究了不同激光功率密度下7050-T7451铝合金小孔构件的残余应力的分布。结果表明,冲击表面残余压应力在X轴方向上0～6 mm区域内分布很均匀,能量的变化对它的影响不是很大,表面最大残余压应力都出现在孔边缘处,整个冲击区域残余应力差别不大,构件单面冲击下表面只有残余压应力,然而并不是随着峰值压力的增加为增加,这是由于未冲击表面的残余压应力是由板料变形引起的。构件厚度方向残余压应力的深度随着冲击波的峰值压力的增大而增大,同时也造成板料厚度中心靠近上表面处产生过大的残余拉应力,这对提高材料的抗疲劳性能是极为不利的。     

激光微冲击成形技术分析与展望

激光微冲击成形(μLSF)是利用微尺度脉冲激光和材料相互作用产生高幅冲击波压力实现材料微小塑性变形的技术,其综合了激光成形、冲击强化和塑性成形等技术的优点,通过控制激光工艺参数和合理的路径规划获得所需的微观几何形状和表面质量,具有良好的柔性,在材料微塑加工领域具有显著的技术优势。在介绍激光微冲击成形技术原理和特点的基础上,分析了微尺度激光冲击成形中的压力模型、本构模型及其工艺方法,讨论了激光微冲击成形中涉及的关键技术,综述了激光微冲击成形表面的质量及相关性能的研究现状,指出当前激光微冲击成形研究中存在的问题,并对今后的研究做了展望。     

Al-Mg-Sc合金板料激光冲击成形的有限元分析

激光冲击板料变形是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的新型激光加工技术。基于激光冲击成形原理,建立了有限元模型,利用有限元分析软件MSC.Marc,对激光冲击载荷下Al-Mg-Sc板料成形过程进行模拟。结果表明:仿真结果与实验结果取得了良好的一致性,随着激光能量的增大,变形量增大;当激光能量大于30J时,板料最大变形量随着约束孔径的增大而增大,当激光能量小于30J时,板料最大变形量随着约束孔径的减小而增大,在距冲击中心9mm附近和冲击中心处,属于易破裂区域,距冲击中心3mm附近,应力值也比较大。     

钛合金板料激光冲击变形的数值模拟和实验

采用实验的方法,研究了不同的激光能量和不同的冲击路径、冲击次数对TA2钛合金板料变形的影响,取得了不同条件下钛合金板料的变形数据。结果表明:随着激光能量的增加,板料的变形量增大;板料几何尺寸和厚度越大,板料越难变形;冲击区域的不平度,随前后光斑间隔的增大而增大;随光斑间隔的减小而减小。通过此类激光冲击实验可优化激光冲击的相关参数,预测板料变形。     

激光冲击成形对表面光洁度的影响

为了研究激光冲击成形对板料表面光洁度的影响,采用0.5mm厚铝板和304不锈钢板料作为试样,选择光斑直径8mm、波长1054nm、脉冲宽度23ns的激光脉冲进行冲击成形实验,铝板冲击成形的激光能量为15.4J,304不锈钢的激光能量为18.92J.冲击成形后对板料表面光洁度进行检测,结果表明,激光冲击成形可使板料表面光洁度提高接近两个精度等级.通过理论分析可知,板料背面光洁度的提高有两个方面的原因,一方面由于应力波在板料背面的微尖峰中传播时产生一系列的反射波,当反射波强度超过材料抗拉强度极限时将引起微尖峰的断裂;另一方面由于板料的高速运动在板料背面的空气中形成高压区,当作用在板料表面的空气压力大于动态屈服强度时微尖峰发生塑性变形,因微尖峰断裂和塑性变形使板料背面光洁度提高.     

AlMgSc合金板激光冲击成形实验研究

A lMgSc是航空航天等尖端领域的一种新型轻合金结构材料。利用江苏大学强激光研究所的高功率钕玻璃激光器对A lMgSc合金板进行了激光冲击成形实验研究,用TaylorHobson三坐标表面轮廓测量机测量了冲击后板料的变形量以及表面的粗糙度。实验结果表明:约束层的刚度越大,激光诱导的冲击波力越大,板料的变形量越大;当只有激光能量大于某一临界值(该值与材料本身有关)时,板料的变形量才随着凹模孔径的增大而增大;板料的变形量随着半径方向的冲击波压力变化而不同。最后介绍了压力测量原理及其公式。     

激光冲击成形对板料表面质量的影响

利用0.5mm厚铝板和304不锈钢板作为试样进行激光冲击成形，试验发现激光诱导的冲击波在使板料发生塑性变形的同时，还可以显著降低板料前后表面的粗糙度。根据板料激光冲击成形的特性，从理论上分析了板料背面粗糙度降低的机理。分析表明一方面是由于应力波在板料背面的微尖峰中传播时，应力波发生反射和透射，随着尖峰的截面积逐渐减小，透射压缩波和反射拉伸波的强度逐渐增加，当反射拉伸波的强度大于材料的动态强度极限时引起了微尖峰的断裂；另一方面由于激光冲击成形中板料的高速运动，在背面的空气中形成高压背压，板料背面的微尖峰受到空气背压的压缩而发生塑性变形。由于表面微尖峰的断裂和塑性变形使尖峰高度降低，因而表面质量得到提高。     

激光斜冲实验与理论研究

金属板材的激光冲击成形通常采用激光束沿法向作用于零件表面,产生垂直于表面的冲击波作用力,但在曲面零件冲击成形时很难满足每次都为法向垂直冲击,因此非常有必要进行斜冲击研究。用钕玻璃激光器斜冲击LD31(6063)板料,并使用千分尺对变形特征进行了测量,实验表明等离子体的迎光性以及等离子体与激光之间的相互作用使得等离子体逆着激光方向斜膨胀,产生的应力波则顺着激光方向斜冲击板料,造成了被冲击板料变形的偏心。在激光能量约为42 J,脉冲宽度约为23 ns,光斑直径为8 mm,入射角度约为0°,30°,60°时,板料的偏心依次为1.00 mm,1.68 mm,3.77 mm,深度方向变形依次为5.60 mm,5.00 mm,3.00 mm,变形最大点显微硬度提高率依次为50%,33.3%,25%。     

中空激光冲击金属板料变形的数值模拟

为了研究中空激光参量对金属板料变形的影响,采用数值仿真的方法,选用不同的中空激光参量对3003铝合金板料进行了冲击成形数值模拟,分析了板料变形的动态响应过程以及成形规律。结果表明,中空激光加载后,板料获得初速度,光斑区域的速度逐渐减少,区域外的速度逐渐增加,带动整个板材的运动;与实心激光冲击板料变形比较,板料底部变形区较为平坦,变形比较均匀,提高了板料的成形性和成形极限。该研究通过选择不同的中空激光参量获得板料的成形规律,为中空激光冲击成形技术提供了依据。     

激光电化学复合加工的冲击空化检测及试验

为了测量脉冲激光击穿电解液下产生的声压信号,探讨冲击空化效应对激光电化学复合加工的作用和影响,建立了激光电化学复合加工检测系统。采用水听器采集脉冲激光聚焦电解液下产生的声压信号,使用示波器对声压信号进行存储、XVIEWER软件对声压波形分析和计算,最后对激光电化学复合加工的区域进行拍照,并分析冲击空化效应对激光电化学复合加工后的形貌特性和表面质量的作用和影响。结果表明,脉冲激光聚焦电解液下,产生冲击空化效应,向外辐射3个不同声压信号;随着激光能量的增加,激光冲击空化的3个声压变大,空泡的半径和泡能均增加;在激光电化学复合加工中,激光能量增加,产生的等离子冲击波和射流力越大,工件去除的量越多;空泡脉动促进电解液的流动,对加工区域的微观形貌和表面质量起重要作用。这一结果对复合加工的过程和形貌是有帮助的。     

平顶光束激光冲击2024铝合金诱导残余应力场的模拟与实验

对平顶光束激光冲击2024铝合金诱导的残余应力情况进行了有限元模拟与实验研究。改进了平顶光束诱导冲击波的压力分布模型,并将该模型用于残余应力场的有限元模拟。在实验室环境下获得了适合用于激光冲击的高质量平顶光束,并使用该光束进行激光冲击2024铝合金的实验,实验结果和模拟结果基本一致。研究发现平顶光束冲击2024铝合金有如下特点:存在一个阈值,当激光冲击波压力小于该阈值时,影响区内残余应力场近似均匀分布;当冲击波压力大于该阈值时会引起"残余应力洞",但该"残余应力洞"内部近似均匀分布。在深度方向上,塑性影响深度和最大残余应力深度随激光冲击波压力的增加而增加。