CO_2激光束表面硬化处理过程残余应力的研究

本文研究了热变形模具钢和球墨铸铁在激光表面硬化过程中形成的、作为激光功率密度及移动速度等工艺参数之函数的残余应力。发现在给定的移动速度下,硬化层深度随激光功率密度的增大而增大。在激光硬化层中,残余应力的分布里波浪形,且应力的最大值存在于表面硬化层的中央与边缘的中点处,这是由于自淬火过程中多模激光束的能量分布特征和相交特征的联合影响。残余压应力的数值在给定移动速度情况下随功率密度增大而增大。     

激光冲击功率密度对W18Cr4V钢表面性能影响的研究

采用波长1.06μm、脉宽20 ns的钕玻璃激光对W18Cr4V高速钢进行强化。研究了激光功率密度对W18Cr4V钢强化层显微硬度和残余应力的影响。结果表明:经激光冲击强化后的W18Cr4V钢奥氏体晶粒细化,细晶强化作用显著;不同的激光功率密度都能在冲击区横截面上形成由表及里的显微硬度梯度和一定深度的残余压应力层。随功率密度的提高,硬度峰值和最大残余压应力增大,硬化层和残余压应力层的深度增加。当采用3.6 GW/cm~2的功率密度时,表面硬度峰高达1125 HV0.1,表面残余压应力最大值约-220 MPa,并可获得0.8 mm左右的硬化层和1.4 mm左右的残余压应力层。     

激光冲击处理对304不锈钢力学性能的影响

选用不同涂层对304不锈钢板材激光冲击处理,研究了自主研制的硅酸乙脂涂层与几种常用吸收涂层对304不锈钢的硬度和表面残余应力等冲击力学性能的影响.结果表明,在激光冲击过程中,黑漆涂层、铝箔涂层和硅酸乙脂黑漆涂层都能有效提高激光冲击试样的表面硬度,激光连续冲击后,在304不锈钢试件表面能形成1mm厚的硬化层,其表面硬度最大到240HV;随着激光功率密度的增强,其表面硬度逐渐增强;其表面残余应力也随着激光功率密度的增加而逐渐增大.     

圆环构件增材制造残余应力模拟及尺寸效应分析

采用顺序热力耦合有限元模型对圆环构件激光沉积增材制造过程残余应力和残余变形进行数值模拟。在对直板激光沉积增材制造残余应力验证的基础上,对不同激光移动速度、不同尺寸环状构件激光沉积增材制造过程残余应力变化进行了系统的讨论研究。模拟结果表明,激光沉积增材制造后,环形构件残余变形以增材层径向向内弯曲和基板竖向向下弯曲为主;增材层残余应力依然以环向和竖向残余应力为主,最大拉伸残余应力接近材料屈服点。激光移动速度的减小将极大的影响增材层残余应力的分布,提高中间增材层内、外侧环向残余应力,并使得增材层径向向内弯曲量减小。在相同工艺下对不同尺寸环状构件进行激光沉积增材制造,环状构件截面内环向和纵向拉伸残余应力区域均将随构件尺寸的增大而增大,这与构件在经历多次热循环过程中的冷却速度有关。制造过程中可采取提高环境温度、降低冷却速率等方式降低大尺寸构件截面内拉伸残余应力,以提高激光沉积增材制造构件后期服役性能及安全性。     

Inconel718高温合金磨料水喷丸改性形变层特征研究

文章探索后混合磨料水喷丸(Abrasive Waterjet Peening,AWP)工艺参数对Inconel718合金形变层特征的影响规律。采用不同靶距及喷嘴移动速度对Inconel718合金进行AWP处理,对表面形貌、粗糙度、显微组织、显微硬度梯度及残余应力场分布等开展对比实验。结果表明:随着靶距及喷嘴移动速度的增大,表面粗糙度、表面硬化程度、表面残余压应力及最大残余压应力值都呈减小的变化趋势,而最大残余压应力位置和残余压应力层深基本不受其影响。     

球墨铸铁QT600-3激光相变硬化试验研究

采用CO2激光对模具材料球墨铸铁QT600-3进行激光相变硬化的试验研究。结果表明,在较大光斑直径,较低的激光功率密度,较低激光扫描速度的工艺条件下,激光扫描后的硬化层组织中含有较多的针状马氏体;硬化层表面的宏观硬度可达60HRC,为基体硬度的2.4倍,硬化层表面处的显微硬度随着扫描速度的减小而增大,随着激光功率的增大而增大。硬化层深度可达到0.95 mm,硬化层的深度随着扫描速度的增加而减小,随着激光功率的增加而略有增加。     

基于硬化层深均匀性激光空间能量离散相变硬化蠕墨铸铁的参数适应性和热力耦合场研究

为了突破传统的激光整体相变硬化蠕墨铸铁表面强韧性匹配差等问题,并揭示基于离散激光相变硬化层深均匀性的热力耦合协调响应机理,构建了离散激光相变硬化蠕墨铸铁层深均匀性的热力耦合数学和物理模型。结果表明:优化离散激光在空间的能量比例可以获得均匀离散的相变硬化层深,但会导致激光辐照区域整体热压应力值与残余拉应力值提高;基于离散的激光空间功率密度分配比例只适用于特定的激光参数;伴随激光功率和激光加载时间的增加,需调大离散激光外圈光斑的能量比例以使硬化层能够得到优化,模型截面上较大残余拉应力对应的深度会随着激光参数(激光功率密度、激光加载时间)的增加而增加,激光加载区域的材料表面残余应力值会随着加载时间的延长而降低。     

激光功率变化对蠕墨铸铁相变硬化热力耦合场的影响

为了防止蠕墨铸铁气门座激光相变硬化缺陷的形成,通过对其热力耦合场进行数值模拟,探究激光功率的变化对气门座温度场和残余应力场的影响,并在模型中考虑了相变潜热和材料性能参数随温度的变化。结果表明:激光相变硬化是一个快速加热和冷却的过程,能够针对材料局部和表面进行硬化和强化;激光功率增加可以提高气门座的峰值温度;气门座截面的温度和周向残余拉应力均呈月牙形分布,峰值均出现在硬化层表面区域;伴随激光功率的增加,相变硬化区域的周向残余拉应力呈上升趋势。基于模拟结果,得到了气门座在不同激光功率下热力耦合场的分布规律,为优化激光参数提供了指导。     

后混合水射流喷丸工艺对18CrNiMo7-6渗碳钢表面性能的影响

目的探究不同后混合水射流喷丸工艺对18Cr Ni Mo7-6渗碳钢表面性能的影响。方法运用超景深三维显微系统、三维表面形貌测量系统、X射线残余应力分析仪及HV-1000显微硬度计等,对后混合水射流喷丸前后试样的表面形貌、表面粗糙度、残余应力及显微硬度随层深的变化情况进行分析。结果后混合水射流喷丸时,弹丸和水会对试样表层产生一定的冲蚀、磨损、剪切作用,使试样表面产生新的凹坑。表面粗糙度Ra值随着喷射压力P及喷射靶距H的增加而增大,随着喷嘴移动速度v的增加而减小。试样显微硬度最大值都出现在表面,且随层深的增加,硬度值逐渐减小,喷射压力P=300 MPa时,表面硬度值达到62.8HRC,比试样初始表面硬度值增加了7.35%。试样材料所能引入的残余压应力具有固有最大值σmirs,当引入的残余压应力未达到σmirs时,所产生的最大残余压应力值σmcrs随喷射压力P的增加而增大,但随喷射靶距H和喷嘴移动速度v的改变变化不大。当引入的残余压应力达到σmirs时,所产生的最大残余压应力值σmcrs即为σmirs,不再改变,但是最大残余压应力距表面距离值zm仍会随着喷射压力P的增加而增大。结论后混合水射流喷丸后,试样表面粗糙度变化较大,表层显微硬度有一定提高。残余应力的分布主要与喷射压力P有关,而与喷射靶距H和喷嘴移动速度v关系不大。     

激光喷丸诱导的残余应力的有限元分析

激光喷丸成形是一项新技术,是利用强激光辐照材料表面产生的高压冲击波对材料内部诱导的残余应力来成形金属板料的,控制残余应力场的分布是精确成形板料的关键。有限元模拟技术是预测激光诱导的残余应力场的有效方法之一。该文建立激光诱导残余应力模拟的模型,讨论了模拟过程中关键问题的技术处理,如加载历史、本构关系、网格划分、求解时间等。数值模拟的过程主要包括动态分析和静态分析两个步骤,模拟结果表明,残余压应力的大小和残余压应力层的深度随激光的功率密度的增加而增加,最后趋于饱和。模拟结果和试验结果较为一致。     

齿轮钢30CrMnTi磨削强化试验

30CrMnTi钢广泛应用于齿轮的生产制造中,为提高齿轮的抗疲劳性能及探讨磨削工艺参数对其表面强化的影响,开展了齿轮钢30CrMnTi的磨削试验,分析了磨削速度和磨削深度对磨削表面强化层显微组织、强化层深度、表面显微硬度和强化层残余应力的影响规律。结果表明,齿轮钢30CrMnTi磨削加工后得到一定强化层,表面显微组织为针状马氏体、碳化物和少量残余奥氏体,且强化层马氏体组织由磨削表面到心部呈"细—较粗"的变化趋势,硬度先增大后减小,强化层深度随磨削深度或磨削速度的增大而增加,磨削后表面显微硬度提高2%~13%,随磨削速度降低或磨削深度增大而增大。磨削过程对残余应力的影响在表面表现为拉应力,沿层深向内逐渐转化为压应力。磨削表面残余压应力的值随磨削速度或磨削深度的增大而降低。通过合理的磨削参数可实现齿轮钢30CrMnTi的表面磨削强化。     

无保护层激光冲击强化的热效应研究

目的 深入理解无保护层激光冲击强化(LSPwC)的物理过程。方法 对轧制TA2纯钛板材进行LSPwC处理,通过激光扫描显微镜、X射线应力仪分析试样的表面形貌和残余应力分布,使用透射电子显微镜分析LSPwC后试样表层的微观组织特征。使用Abaqus软件建立LSPwC过程的热力耦合仿真模型,分析试样温度和应力演变规律。结果 当激光脉冲能量为30 mJ、光斑直径为0.4 mm时,经LSPwC处理后TA2试样表面形成了厚度约为50μm的残余拉应力层,其最大残余压应力达到560 MPa,出现在距表面100μm的次表层;经LSPwC处理后TA2试样表面产生了超细马氏体晶,距表面100μm的微观组织表现为高密度位错缠结。随着激光脉冲能量和光斑直径的增大,激光热效应的持续时间增长、热影响深度增大,经LSPwC处理后TA2试样的残余压应力层深度增大。在LSPwC过程中,距表面10.2μm以内深度层的冷却速度超过10⁶℃/s,但冷却速度随着脉冲能量和光斑直径的增大而减小。结论 在LSPwC过程中,激光热效应和激光诱导冲击波作用,导致试样表层迅速升温,并发生塑性变形,然后快速降温,形成...     

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。     

GH2036高温合金激光冲击强化后的残余应力

采用X射线衍射仪和材料试验机对激光冲击强化GH2036高温铁基合金的残余应力进行了研究.结果表明,激光诱导GH2036高温铁基合金的残余应力值和残余压应力层的深度随激光功率密度的增加而增加.激光强化件形成的残余应力在高温回火后有所松弛,但仍然保持较高的残余应力水平,一次回火后表面残余应力在-170 MPa,二次回火后残余应力仍然保持在-135 MPa.激光冲击强化件的疲劳寿命比未强化件的提高2.36倍以上.     

S30432钢表面喷丸残余应力场的分析

运用有限元软件ABAQUS建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型,预测了钢丸喷射所产生的残余应力场,分析了喷丸强度、弹丸尺寸对S30432不锈钢靶材残余应力分布的影响以及变化特征。计算结果表明,喷丸后靶材表面产生残余压应力层,在近表层产生最大残余应力峰,同时在次表层形成二次残余应力峰。在相同弹丸直径、不同喷丸速度下,靶材近表层产生的最大残余压应力峰位接近,次表层产生的残余压应力峰位随速度的增加而加深,但近表层最大残余压应力值随速度的增加而增大;在相同喷丸速度、不同弹丸直径的喷丸作用下,近表层产生的最大残余压应力值的大小相近,而次表层产生的残余压应力峰值随弹丸直径的增大而增加,残余压应力影响层深度随速度增加呈线性增加。     

铸造γ-TiAl合金表面状态的研究

针对成分为Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr的铸造γ-TiAl合金,分别研究了该合金经车削、粗磨和精磨后的表面粗糙度、表面残余应力以及表面加工硬化。试验表明,经机加工后合金表面均产生残余压应力,随表面粗糙度数值的降低,表面轴向残余压应力增大,而径向残余压应力则变化不大。在用水砂纸磨削过程中,切削微刃占主导地位,可以把车削产生的硬化层去掉,故随表面粗糙度数值的降低,表面加工硬化程度逐渐降低。     

7050铝合金二维超声滚压加工残余应力场研究

目的研究二维超声滚压后7050铝合金残余应力场的形成过程和表层残余应力的分布规律。方法利用有限元软件模拟二维超声滚压加工,分析残余应力场的形成过程及表层残余应力的分布规律;采用正交试验方法进行7050铝合金二维超声滚压加工试验,研究工艺参数对表面残余应力的影响规律,并与有限元分析结果相对比,验证有限元模拟的合理性。结果在二维超声滚压加工过程中,7050铝合金表层材料应力随时间先减小后增大,最后趋于稳定,形成残余应力。残余压应力沿滚压深度方向先增大后减小,再转化为残余拉应力。残余压应力层厚度约为1.05 mm,最大残余压应力值约为285 MPa。在相同的工艺参数下,有限元分析结果与试验结果基本吻合。静压力对表面残余应力的形成影响最大,表面残余压应力随静压力的增大而增大。结论二维超声滚压加工使7050铝合金表面发生剧烈的塑性变形,并形成一定深度的残余压应力。铝合金表面残余压应力随静压力的增大而增大,而与转速和进给量无关。     

GH536高温合金选区激光熔化温度场和残余应力的有限元模拟

计算了GH536高温合金选区激光熔化(SLM)过程中熔池区域的温度场变化和凝固后残余应力分布。计算采用复合Gauss热源研究激光光学穿透深度的影响规律,通过研究材料属性随温度的变化关系实现粉层、熔池及固态金属的转化。实验结果表明,Gauss热源模型能够较好地模拟SLM过程中的温度场分布以及凝固后的残余应力。模拟结果显示,随着激光功率的增大,熔池宽度、深度和长度均相应增大,凝固速率减小;随着扫描速率增大,熔池宽度和深度减小,长度不变,凝固速率增大。计算结果表明,单层选区激光熔化的零件表面存在较大的拉应力,随着深度增大,拉应力迅速减小转为压应力。     

冲击波动态传播特性对激光喷丸残余应力场的影响

以TC4钛合金为研究对象,基于Johnson-Cook本构模型,分析了高应变率效应对激光喷丸过程中塑性波波速的影响。通过三维有限元方法模拟了不同作用参数激光喷丸诱导冲击波的传播过程,探讨了多次激光喷丸作用后残余压应力饱和现象的产生机理及利用该效应获得均匀表面残余压应力的方法。结果表明:高应变率效应对激光喷丸作用过程中塑性波速度有显著影响,塑性波的速度与所产生的塑性应变呈反比关系。功率密度越大,初始产生的塑性应变越大,塑性波速度越小,冲击波能量衰减越快,冲击波压力幅值降低越快;相同激光喷丸功率密度,随着作用次数的增加,产生的塑性应变逐渐减小,塑性波速度增大,冲击波压力衰减变缓,使激光喷丸诱导的残余压应力逐渐增大;作用次数达到3~4次时,衰减过程基本相似,诱导的残余压应力增幅不大,作用效果基本达到饱和。利用多次激光喷丸作用产生的饱和效应,当激光光斑搭接率超过50%时,即可使搭接区域作用次数达到3次及以上,使激光喷丸作用效果达到饱和,可获得均匀的表面残余压应力。     

基于随机多丸粒模型的TC4钛合金喷丸强化数值分析

考虑丸粒的空间位置随机分布,利用ABAQUS建立了多丸粒喷丸强化过程有限元模型,获得喷丸覆盖率与丸粒数目之间的数学关系,通过不同丸粒数目得到对应的覆盖率,并在100%覆盖率下进一步分析丸粒直径、喷丸速度对残余应力及表面粗糙度的影响。结果表明,在100%覆盖率下,表面残余压应力在改变喷丸速度时变化较为显著,而最大残余压应力在改变丸粒直径时变化较大,残余压应力层深、最大残余压应力层深和表面粗糙度随着丸粒直径、喷丸速度增大而增大。