TC17 钛合金激光多次冲击强化后组织和力学性能研究

对TC17钛合金激光冲击强化前后的微观组织和力学性能作了对比研究,将TC17钛合金进行同一功率密度下不同次数的激光冲击,分别利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、残余应力测试仪和显微硬度计对激光冲击前后TC17钛合金的微观组织、残余应力和显微硬度进行了观察和测试。试验结果表明：TC17钛合金在不同次数激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,晶粒细化明显,3 次激光冲击后有纳米晶形成;残余应力和显微硬度都随着冲击次数的增加数值增大,且沿深度方向的变化规律基本相同;与未冲击试样相比,5 次冲击后试样表面显微硬度提高了20.7%,沿深度方向300 m范围内影响明显,表面残余应力达到-644.3MPa,残余压应力影响层深度增加至1.9mm。     

微激光冲击提高TC17钛合金高周疲劳性能研究

针对钛合金薄构件激光冲击强化过程中由于在叶背部分冲击波反射与耦合降低残余压应力的问题,提出采用微激光冲击强化（μLSP）的方法对TC17钛合金进行强化,利用高周疲劳实验验证其改善效果,从残余应力和疲劳断口形貌观察两个方面讨论分析疲劳性能改善的原因。实验结果表明:与未处理试件相比,微激光冲击强化试件疲劳强度提高了32%。微激光冲击在钛合金试件表层诱导产生一定数值,深度为100 μm厚的残余压应力层;在残余压应力的作用下,疲劳裂纹源内移,同时在其疲劳断口扩展区中有疲劳条带和二次裂纹,这是微激光冲击后TC17钛合金试件疲劳性能改善的主要原因。     

TC4钛合金激光搭接冲击强化的实验和数值模拟

为了研究激光搭接冲击时残余应力场的特征以及激光冲击参量对搭接区残余应力场的影响,采用高功率钕玻璃激光系统对TC4板进行了激光搭接冲击实验,同时利用有限元软件ANSYS对激光搭接冲击过程进行了模拟,残余应力场的数值模拟结果与实验结果取得较好的一致。结果表明,在不考虑各冲击参量之间交互作用的前提下,搭接区表面残余压应力值和残余压应力场深度随搭接率增加而增加,但达到一定阈值后,残压应力场深度会下降;搭接区表面残余压应力值和残余应力场深度会随着功率密度的上升而增加;在脉宽小于一定阈值条件下,搭接区表面残余压应力随脉宽增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力减小,但残余压应力层深度一直是随着脉宽的增加而增加。     

激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响

为了研究激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响,对TC17钛合金进行激光冲击强化处理,并对处理前后的试样进行了高频疲劳试验,对疲劳断口和形貌用扫描电镜和透射电镜进行了观察。7J能量激光冲击2次后,材料在300MPa下的疲劳寿命相比未处理的材料提高了近2倍;相比于母材试样,强化试样的裂纹源位于次表层深处,扩展区的疲劳条带排列更加紧密。结果表明,激光冲击强化后,试样表面强化区域产生高密度位错和位错缠结。这些缺陷能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,进而改善TC17钛合金的高周疲劳性能。     

TC17钛合金单双面激光冲击残余应力分布研究

为了探明双向钛合金TC17在单双面激光冲击强化下残余应力分布特征,采用数值分析方法研究了单双面冲击下残余应力分布规律。结果表明,单面冲击稳定后会在冲击对面产生拉应力,在冲击表面产生压应力,双面同时冲击时一部分残余压应力抵消了拉应力,同时又由于应力波的叠加和削弱作用,导致残余应力水平下降;单面激光冲击强化获得的x方向和y方向的最大残余应力分别为336.709MPa和337.011MPa,而双面同时激光冲击强化在两个方向均为326.401MPa;单面冲击会由于拉应力的产生而不利于抑制裂纹;双面同时冲击时试件两面的残余应力分布基本一致,双面顺序冲击时先冲击面残余应力要高于后冲击面;有限大试件需考虑冲击波的横向传播对残余应力的影响。该结果对单双面激光冲击强化的残余应力分布规律研究具有一定的指导意义。     

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。     

TC4钛合金板激光冲击成形实验研究

首次对TC4钛合金板进行了激光冲击成形实验研究,实现了TC4板的激光冲击成形。并利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和显微硬度计分析了冲击成形后试样组织结构和表层硬度的变化。实验结果表明激光冲击成形技术不但可以实现对TC4钛合金板的成形,而且还可以提高了TC4钛合金板的物理和力学性能。最后通过与SUS304不锈钢成形效果的比较,说明了TC4钛合金比SUS304不锈钢更难成形。     

激光冲击强化对钛合金棒件疲劳寿命的影响

为了研究激光冲击对TC4-DT钛合金圆棒残余应力分布及疲劳特性的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了不同冲击载荷下圆棒最小直径截面内残余应力的分布,并对试样先后进行了激光冲击强化试验和拉-拉疲劳试验,最后对疲劳断口形貌进行了对比分析。结果表明,圆棒试样会在表面及近表面形成残余压应力层,在内部及中心区域产生拉应力,且表面残余压应力和内部拉应力皆随冲击载荷的增大而增大;内部拉应力区域面积远大于表面压应力层面积,致使疲劳裂纹扩展加速,从而导致疲劳寿命降低,对圆棒试件的拉-拉疲劳性能产生不利影响;圆棒试样经激光冲击强化后疲劳裂纹源向内部转移,且位于内部最大拉应力区域。该研究对轴类零件经激光冲击强化后的应用条件具有一定的参考价值。     

TC11钛合金零件的激光熔化沉积修复研究

结合飞机起动机钛合金叶轮的修复需要,研究了Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr-0.23Si(TC11)钛合金激光熔化沉积修复工艺及界面的组织与力学性能。结果表明,激光熔化沉积TC11钛合金及界面重熔区具有典型的魏氏组织特征,基体热影响区组织逐渐由魏氏组织向双态组织过渡;激光熔化沉积TC11钛合金的抗拉强度高于界面过渡区及基体,而塑性稍低于基体。通过采用逐点熔化沉积的方法对叶轮受损叶片进行了修复,经加工检验后通过了超转试验考核,实现了装机应用。     

激光喷丸对TC17钛合金疲劳强度的影响北大核心CSCD

为了研究激光喷丸(LP)对TC17钛合金疲劳强度的影响,采用两次LP工艺对TC17钛合金进行了强化处理,并使用升降法测试比较了LP前后材料的疲劳强度。结果显示,LP可在TC17钛合金表面形成深度为11.7μm的微凹坑,产生的残余压应力为LP前的2.46倍。残余压应力的增大引起了裂纹源位置的变化及疲劳条带的细化,TC17钛合金的疲劳强度提高了3.9%。     

变参数激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展特性

研究采用两种不同变能量参数激光冲击TC17钛合金,通过疲劳试验分析变能量参数激光冲击对其疲劳裂纹扩展寿命和扩展速率的影响规律,通过X射线残余应力测试仪分析激光冲击后试件表面残余应力分布状态。结果表明:相比于未强化试件,在高数值残余压应力作用下的强化后试件疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.74倍,稳定扩展初期疲劳裂纹扩展速率分别降低了21%和16%;在裂纹稳定扩展前期区域,LP-1试件扩展速率发生明显减小的现象,C′值最大,m值为最小,减为负数;LP-2试件C′值增大,m值减小。残余应力场分布是疲劳裂纹扩展的主要影响因素,两种强化方案对TC17钛合金疲劳裂纹扩展均产生抑制作用,激光能量越大,产生残余压应力值越大,激光冲击对裂纹扩展前期区域的强化作用大于对裂纹扩展中后期区域的强化作用。     

激光冲击强化对TC17微观组织和表面硬度的影响

为了研究激光冲击次数和冲击能量对TC17钛合金微观组织和表面硬度的影响,采用不同的工艺参量对TC17钛合金进行了激光冲击强化处理。TC17钛合金在激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,冲击过程中位错发生增殖、塞积、缠结等现象,单脉冲冲击形成的微凹坑的深度最大可达21.4μm;脉冲能量为5J、搭接冲击次数从1次增加到4次时,材料的表面硬度相比母材的增幅分别为8.3%,17.2%,24.3%和24.5%;5J和7J冲击1次时,表面硬度相比母材增幅分别达8.3%和14.2%。结果表明,随着冲击次数和脉冲能量的增加,TC17材料表面硬度随之增加,激光冲击强化使材料表面产生高密度位错,这是其表面硬度增加的关键原因。     

激光冲击强化诱导的残余应力场分析

激光冲击强化是一种新兴的现代表面处理技术,它利用激光产生的高幅冲击波在冲击区诱导出有益的残余压应力,从而达到强化材料的目的。在分析了激光冲击强化的基本原理和残余应力的形成过程后,探讨了残余应力的计算模型,同时对激光冲击强化后,冲击区表面和深度方向上的残余应力分布特点进行了分析。研究表明在激光冲击强化过程中,存在最佳的冲击波峰值压力;经激光冲击后,金属表面产生很深的残余压应力,且冲击区的残余压应力在表面和深度方向上都基本为均匀分布。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术,可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力,但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下,也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响,如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数,如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等,以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验,对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明,在激光喷丸强化工件时,残余压应力层厚度存在一个最佳值,此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优,喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

激光温喷丸TC4钛合金的阻尼特性研究

在不同表面温度下对TC4钛合金试样进行激光温喷丸实验, 使用频率响应法测试TC4钛合金试样的一阶弯曲振动共振频率和阻尼比, 测定了喷丸区域半高宽值(FWHM), 研究在不同试样表面温度下激光喷丸对TC4钛合金阻尼特性的影响, 分析激光温喷丸中试样表面温度与最终一阶弯曲振动阻尼比的关系, 讨论了不同试样表面温度对试样阻尼性能的影响机制。结果表明: 在进行激光温喷丸时, 试样在动态应变时效温度下形成的高密度位错对阻尼特性有重要影响, 随着试样表面温度的上升, 试样处理后的一阶弯曲振动阻尼比不断升高, 在表面温度达到350 ℃时试样最终处理后阻尼比达到最大值; 与激光喷丸技术相比, TC4试件的阻尼比从2.1%提升到了3.2%, 表明了激光温喷丸可以有效减小振动工况下的振动应力。     

激光冲击范围对小孔构件疲劳性能的影响

激光冲击强化能够有效地提高孔结构零件的疲劳寿命。试验中采用较大的冲击区域范围对试样进行激光冲击强化后,发现试样的疲劳寿命降低甚至出现负增益。为此采用有限元分析和试验的方法,研究单面激光冲击范围对铝合金小孔件残余应力场以及疲劳寿命的影响。研究结果表明:激光冲击范围的增大,导致试样沿孔壁方向的应力分布变差,并且残余压应力影响层的深度降低;同时对疲劳拉伸后试样的断口观察发现,随着冲击范围的增大,疲劳裂纹源的位置也随之发生内移。因此对于小孔构件的激光冲击强化,应严格控制激光冲击范围以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造(3-D打印)作为一种近净成形技术,为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径,但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题,采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件,研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响,测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明,变形主要在薄壁件顶层两侧,最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间;当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时,试件变形最小;当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时,试件残余应力最小;薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。