LSP提高TC6钛合金振动疲劳性能及强化机理研究

针对TC6钛合金进行了激光冲击强化(LSP)参数设计,应用XRD衍射仪对LSP试件进行了残余应力分布规律测试和图谱分析,采用透射电子显微镜对强化层微观组织进行了观察,对有无LSP标准振动疲劳试件进行了振动疲劳对比试验。研究表明,TC6钛合金LSP较佳功率密度为3 GW/cm2,LSP能在材料表层产生深度为1.6 mm的高数值残余压应力场,表面残余应力可达-660 MPa,深度为0.1 mm处残余应力最大,最大值可达-690 MPa;LSP后没有新相产生,且晶粒细化、残余微观应变导致Bragg衍射峰宽化;LSP后钛合金表层出现高密度位错和纳米晶;钛合金标准振动疲劳试件LSP后疲劳极限由438.6 MPa增加至526.7 MPa,提高20.1%;疲劳断口分析表明LSP产生的组织细化和高数值残余压应力场可以有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提升TC6钛合金的抗疲劳性能。     

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。     

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。     

多次激光冲击强化对Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金微观组织及力学性能的影响（英文）

对Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金进行了不同能量和冲击次数的激光冲击强化,通过残余应力、显微硬度、XRD和TEM分析其对力学性能和微观组织的影响。结果表明,功率密度和冲击次数对残余应力和显微硬度都有较大影响,激光冲击强化后,显微硬度和残余应力都有大幅度提升,并形成一定厚度的变形层,增加冲击次数或者增大功率密度都可提高其幅值和影响深度。不同冲击参数下的XRD测试表明,激光冲击强化后衍射峰位置没有发生变化,但有展宽。激光3次冲击后可在表面形成一层纳米晶,晶粒大小为30~60 nm,且取向随机。位错运动是Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金晶粒细化的主要原因。     

基于计算机有限元分析的激光冲击强化钛合金疲劳性能研究

基于限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue,建立了激光冲击TC17钛合金标准紧凑拉伸试样及其疲劳裂纹扩展的有限元分析模型。对不同区域下激光冲击强化TC17钛合金后的残余应力分布及疲劳裂纹扩展性能进行分析,进而探讨了残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明,激光冲击TC17钛合金经后,试样上下表面处理区域均呈现压应力分布,最大残余压应力达-473 MPa,残余压应力层深度达0.76 mm,同时,表面残余压应力随激光功率密度和冲击区域的增大,逐渐增大并达到饱和。相对于未冲击件,激光冲击使TC17试样疲劳寿命大幅延长,疲劳裂纹扩展速率显著降低;且随冲击区域的增大,疲劳寿命不断延长,表明激光冲击诱导的残余应力场对TC17钛合金疲劳裂纹扩展具有较好的抑制作用。     

激光冲击TC17钛合金叶片的微观组织/应力演变及缺口振动疲劳性能

目的 提高航空发动机叶片的抗疲劳性能。方法 采用高功率密度短脉冲激光冲击某型发动机TC17钛合金整体叶盘叶片模拟件,并采用飞秒激光在进气边预制缺口。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征激光冲击前后的表层微观组织。通过X射线衍射和三坐标测量仪分别测量激光冲击强化过程中的残余应力演变和宏观塑性变形,并由一阶弯曲振动疲劳对激光冲击强化效果进行评价。结果 激光冲击在TC17钛合金叶片表层诱导产生了高密度位错组织,但由于冲击次数的控制,未产生明显的晶粒细化效应。激光冲击叶盆面后,叶盆面呈现压应力状态,残余应力为330.5 MPa,叶背面呈现拉应力状态,其值为55.5 MPa。进一步激光冲击叶背面后,叶背面的拉应力转变为压应力,其值达到了267.0 MPa,叶盆面残余压应力减小,由330.5 MPa变为261.9 MPa。激光冲击叶盆面后,进气边与叶尖交点偏离初始位置0.119 1、0.129 1 mm;冲击叶背面后,位移偏离初始位置减小,分别为0.071 08、0.099 mm。激光冲击强化后,缺口振动疲劳寿命显著提升,平均循环次数由56 696周次增加到199 515周次,出现了明显的裂纹闭合效应。结论 激光冲击强化在TC17钛合金表层引入了高密度位错组织和双面贯穿式残余压应力,并将叶片宏观塑性变形控制在0.1 mm以内,在疲劳性能上获得了显著的提升。     

Effect of Multiple Laser Shock Processing on Microstructure and Mechanical Properties of Ti-5Al-4Mo-4Cr- 2Sn-2Zr Titanium Alloy

对Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金进行了不同能量和冲击次数的激光冲击强化,通过残余应力、显微硬度、XRD和TEM分析其对力学性能和微观组织的影响。结果表明,功率密度和冲击次数对残余应力和显微硬度都有较大影响,激光冲击强化后,显微硬度和残余应力都有大幅度提升,并形成一定厚度的变形层,增加冲击次数或者增大功率密度都可提高其幅值和影响深度。不同冲击参数下的XRD测试表明,激光冲击强化后衍射峰位置没有发生变化,但有展宽。激光3次冲击后可在表面形成一层纳米晶,晶粒大小为30~60 nm,且取向随机。位错运动是Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Sn-2Zr钛合金晶粒细化的主要原因。     

激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展试验

为研究激光冲击强化对钛合金试件疲劳性能的影响,在标准试件的裂纹扩展路径上设计了全强化和间隔强化两种不同的强化方案,研究激光冲击强化对试件疲劳寿命和裂纹稳定扩展时速率的影响规律,利用有限元数值模拟和X射线残余应力测试获得了试件的残余应力场分布状态,并对比分析了试件的断口形貌和微观组织特征。结果表明:相比于未强化试件,激光冲击强化后试件的平均疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.90倍,两种不同的冲击强化方法分别降低钛合金试件的裂纹扩展速率24%和15%。间隔强化后试件表面产生-512 MPa的最大残余压应力,裂纹扩展的C′值为-7.3,m值为2.6,而强化间隔区引入最大值为82.4 MPa的残余拉应力,裂纹扩展速率急剧升高,C′值减小至-13.6,m值为8.0。当裂纹扩展到强化区时,扩展速率再次降低,激光冲击强化对TC17钛合金疲劳裂纹扩展有显著的抑制作用。     

激光喷丸Ti17叶片前缘的抗FOD性能模拟研究

为研究激光冲击强化（LSP）叶片前缘抗外物损伤（FOD）性能,设计截面尺寸近似叶片前缘的缺口模拟件,采用YAG激光器（30 J和15 ns）和方形光斑（4 mm×4 mm）对TC17模拟件的缺口尖端进行双面LSP。采用X射线衍射仪、透射电镜、高频疲劳试验机和扫描电镜分别对LSP前后的残余应力、微观组织、疲劳性能和疲劳断口进行测试分析。与未强化缺口模拟件相比,LSP-TC17合金的表面残余压应力最大值为-403 MPa。LSP-TC17合金表面形成高密度位错、孪晶和纳米晶。LSP-TC17缺口模拟件的疲劳强度提高55.6 %。TC17缺口模拟件的疲劳强化机理为高幅残余压应力和表面纳米晶。研究结果为LSP-FOD叶片奠定理论基础并提供工艺参考。     

激光冲击强化TC17钛合金室温和高温拉伸性能研究

目的分析激光冲击强化对钛合金室温和高温拉伸性能的影响。方法用YAG纳秒脉冲激光器对TC17钛合金板状拉伸试样表面进行双面激光冲击强化,脉冲能量为25 J,脉冲宽度为15 ns,光斑尺寸为4.2 mm×4.2 mm,搭接率为10%,强化1次。通过室温及400℃下拉伸试验,获得强化前后试样的抗拉强度、屈服强度和断裂伸长率,利用X射线衍射法测试拉伸前后试样表面的残余应力,并在扫描电镜下观察拉伸试样断口微观形貌。结果室温拉伸试验时,激光冲击强化对TC17钛合金的室温抗拉强度和伸长率几乎无影响,但强化后的室温屈服强度下降约6.1%,有/无强化试样均没有明显的屈服点,距离强化试样断裂位置10 mm的表面残余压应力较拉伸前下降约12%。400℃拉伸试验时,激光冲击对TC17钛合金的高温抗拉强度和屈服强度均影响较小,有/无强化试样均出现明显的屈服点,距离强化试样断裂位置10 mm的表面残余压应力较拉伸前下降约44%。结论激光冲击强化在TC17钛合金表面引入显著的残余压应力分布,对屈服强度具有一定程度的影响。强化后试样的屈服强度与拉伸过程中残余压应力松弛速率有关,室温拉伸过程的残余应力松弛较高温拉伸过程慢,试样内部的平衡拉应力区更容易先发生屈服。这是造成室温拉伸屈服强度小幅降低的主要原因。     

激光冲击强化对Ti6Al4V合金表面完整性和四点弯曲疲劳性能的影响

采用扫描电镜、显微硬度仪、X射线应力测量仪及透射电镜等对激光冲击强化Ti6Al4V合金的表面完整性进行了分析,采用MTS疲劳试验机测试了疲劳性能,并采用扫描电镜分析了疲劳断口,探讨了激光冲击强化机制。结果表明:经功率密度为15. 9 GW/cm~2的激光处理后,其四点弯曲中值疲劳寿命较未处理试样提高了4. 2～23. 5倍;激光功率密度越大,试样的中值疲劳寿命越长。激光冲击强化表现出比喷丸强化更优的疲劳寿命增益效果。经激光冲击强化后,Ti6Al4V合金表面形成了深度为600～1 400μm的残余压应力场,表面硬度比未强化区域提高了约10%,且亚表层内部的位错密度也有显著提高。     

喷丸对TC18钛合金拉-拉疲劳性能的影响

分析了TC18钛合金表面喷丸强化所产生的表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力和表面层残余压应力场变化及喷丸对拉-拉疲劳性能的影响,并用疲劳裂纹萌生的微细观过程理论合理解释了拉-拉疲劳极限的提高。结果表明:喷丸强化不仅能够明显延长TC18钛合金的高周疲劳寿命,且能使1×107周次下的疲劳极限提高27%。     

高周疲劳条件下激光温喷丸TC4钛合金的残余应力释放规律及疲劳特性

使用Nd:YAG纳秒激光器分别在试样表面温度为20、100、200、300以及400℃下对TC4钛合金狗骨状拉伸试样进行激光喷丸表面强化,然后使用疲劳试验机在高周疲劳条件下对试样进行残余应力释放测试与疲劳寿命测试,并使用热场发射扫描电镜研究激光温喷丸后试样的断口特点。结果表明,经过10 000次循环载荷后,试样表面温度为20、100、200、300及400℃时激光喷丸TC4钛合金试样的残余压应力幅值分别下降至–100、–75、–132、–196与–146 MPa;由于较高的残余压应力幅值及较低的残余应力释放速度,300℃时激光温喷丸试样的疲劳条带间距约为0.42μm,比20℃激光喷丸降低了约64%;300℃时激光温喷丸试样的疲劳寿命高达147 846次,约为20℃激光喷丸试样的1.7倍。     

激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响

目的 提高TC4钛合金与TiN涂层的结合强度.方法 通过实验研究的方法探索激光冲击强化对TC4钛合金表面TiN涂层界面结合性能的影响.首先,采用不同激光冲击参数(光斑搭接率、功率密度)对其表面进行前处理.利用Wyko NT 1100型非接触式光学轮廓仪(NCOP)测量TC4钛合金试样的表面几何形貌和粗糙度.利用X350...     

激光冲击强化对片层TC11钛合金组织和性能的影响

目的 提高TC11钛合金的使役性能,对LSP技术在钛合金航空构件上的推广应用提供试验依据和技术支撑。方法 利用激光冲击强化(LSP)技术对片层组织的TC11钛合金进行表面纳米化处理,激光能量为6 J,脉宽为20 ns,光斑直径为3 mm,搭接率为50%。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线应力分析仪、显微硬度计及拉伸试验机对TC11钛合金LSP前后的微观组织及力学性能进行表征。结果 经LSP处理后,在TC11钛合金表层形成了梯度纳米结构,其中外表层晶粒尺寸约为10 nm,形变层厚度约为200 μm;在次表层组织中形成了大量位错缠结、形变孪晶及层错等晶体亚结构缺陷。LSP后钛合金表层存在着最大残余压应力(–267 MPa)和显微硬度值(425HV),且随着距表层距离的增大,相应的数值均呈现出逐渐减小的趋势。此外,LSP后TC11钛合金的抗拉强度和屈服强度分别提高了19.4%、18.3%,但伸长率略有下降,断口形貌从典型的韧性断裂向准解理和韧性混合型断裂转变。结论 在LSP作用下获得的梯度纳米结构和残余压应力的共同作用下,TC11钛合金获得了良好的强度–塑性匹配。