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。     

激光冲击强化对TC6钛合金疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化(LSP)对TC6钛合金振动疲劳性能的影响。结果表明,利用LSP技术可在合金表层生成很大的残余压应力场,使合金表层生成纳米晶,大幅提高了试样的疲劳极限。     

激光冲击处理TC11钛合金材料微观组织热稳定性

利用激光诱导等离子冲击波对TC11钛合金试样进行强化,并对强化后试样在较高的服役温度下进行保温处理,分析讨论强化后材料表面微观组织结构的热稳定性。结果表明,激光冲击处理后,钛合金试样表层形成了较大数值的残余压应力和平均晶粒尺寸为10nm的微观组织,经350℃/10h热处理后,产生残余压应力的一定释放,但纳米组织未发生明显变化,且硬度保持稳定,激光冲击强化钛合金组织和性能具有良好的热稳定性,可在一定服役温度条件下提高钛合金力学性能。     

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。     

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。     

激光冲击强化对不锈钢焊接接头拉伸性能的影响

利用激光冲击强化对12Cr2Ni4A不锈钢焊接接头进行处理,比较了激光冲击一次和二次前后焊接接头拉伸性能、显微硬度和表面残余应力.结果表明,12Cr2Ni4A 焊接试件经过二次激光冲击强化后,显微硬度提高了50%,抗拉强度由818.5 MPa提升至863.8 MPa,并且断裂区域由焊接热影响区转移至基体处,焊接试件的拉...     

激光冲击强化对TA15钛合金双孔结构显微组织和疲劳性能的影响

对TA15钛合金进行激光冲击强化,研究了激光冲击强化对双孔结构试样显微组织、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明,经激光能量25 J、圆形光斑?4 mm,冲击2次的激光冲击强化后,TA15钛合金晶体内部形成了大量的高密度位错和位错墙;同时在材料表面引入高达-500 MPa的残余压应力,可以平衡疲劳载荷作用下产生的拉应力,有效抑制疲劳裂纹萌生并减缓裂纹扩展速率。激光冲击强化可以大大提高钛合金双孔结构的疲劳寿命,相对于未强化试样提高了60%～89%,这是由于激光冲击强化引入的较大残余压应力使得裂纹尖端的有效应力强度因子大大减小,当有效应力强度因子小于材料的断裂韧性时,疲劳裂纹的扩展会被抑制或停止,从而提高疲劳寿命。     

激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究

激光冲击强化是一种新型表面改性技术,能够在金属部件表面引入残余压应力提高其疲劳、耐磨和腐蚀性能。研究了不同能量脉冲激光(3,5和7 J)冲击强化对TC17钛合金材料表面形貌和最大塑性变形的影响并通过有限元数值模拟激光冲击强化过程。运用白光干涉仪表征试样表面三维形貌和表面塑性应变,采用有限元数值模拟验证表面塑性应变并研究表面和深度方向残余应力场分布规律。结果表明:实验法和有限元法测定试样表面塑性应变深度具有较高的一致性,3、5和7 J冲击下的最大残余应力分别为136.7、407.6和637.3 MPa,塑性影响层深度从约400μm增加到约1050μm。因此,增加激光冲击能量有益于提高残余应力场的大小和深度。     

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径ø4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。     

增材制造钛合金激光喷丸组织及热稳定性研究进展

首先对激光喷丸作用机理进行了概述;其次回顾了国内外激光喷丸改进增材制造钛合金组织性能的研究现状,在此基础上重点讨论了激光喷丸在增材制造中应用受到限制很大程度是由于存在大量非平衡组织,在热力学作用下会转向平衡态致性能改变;进而总结了目前一些从热力学及动力学上对稳定激光喷丸纳米晶组织所做的尝试及难题,创新提出利用激光喷丸良好扩散性能引入渗氮可析出氮化物、固溶原子等阻碍晶界迁移;最后提出该领域的研究方向以及全面建立增材制造钛合金-激光喷丸-热稳定性数据库以促进本领域发展。     

Effect of power density and pulse repetition on laser shock peening of Ti-6Al-4V

Laser shock peening (LSP) was applied to Ti-6Al-4V (wt. %) simulated airfoil specimens using a Nd:Glass laser. Laser shock peening processing parameters examined in the present study included power density (5.5, 7, and 9 GW/cm²) and number of laser pulses per spot (one and three pulses/spot). The LSP’d Ti-6Al-4V samples were examined using x-ray diffraction techniques to determine the residual stress distribution and percent cold work as a function of depth. It was found that the residual stress state and percent of cold work were relatively independent of LSP power density. However, the number of laser pulses per spot had a significant effect on both residual stress and percent of cold work for a given power density level. In addition, there was a strong correlation between the magnitude of residual compressive stresses generated and the percent cold work measured.     

Effect of Nd addition on microstructure and tensile properties of laser additive manufactured TC11 titanium alloy

Single-layer and multilayer laser additive manufacturing (LAM) for TC11 alloy with different Nd additions was conducted and the effect of Nd addition on microstructure and properties was studied. With the addition of Nd, the aspect ratio of melting pools of single-layer specimens increases and the columnar-to-equiaxed transition occurs. The original β grain size and α plate width of TC11?1.0Nd are significantly reduced compared with those of pure TC11 specimens. It is proposed that the evenly distributed fine Nd₂O₃ precipitates of about 1.51 μm are formed preferentially during rapid solidification of melting pool, and they serve as heterogeneous nucleation particles to refine the microstructure in the subsequent solidification and solid-state phase transformation. Due to the multiple effects of Nd on the microstructure, the ultimate tensile strength of TC11?1.0Nd increases, while the yield strength, ductility and microhardness decrease compared with those of pure TC11.     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

高频率Nd∶YLF平顶激光冲击对TC6钛合金表面应力及微变形的影响

为了研究高频率条件下激光冲击强化对TC6钛合金表面应力和变形的影响规律,采用Nd∶YLF平顶激光在10 Hz重复频率条件下对TC6钛合金试样进行了激光冲击强化试验,并分析了激光能量和冲击次数对试样表面残余应力和表面变形的影响。采用XL-640型X射线应力测定仪测量冲击前后TC6钛合金试样表面残余应力,利用Contour GT-X3型白光干涉仪测量试样的三维形貌和表面粗糙度。结果表明,对于Nd∶YLF平顶激光冲击强化,应优选30%的光斑搭接率,50%搭接率易引起试样表面烧蚀;随着激光能量和冲击次数的增加,试样表面残余应力、表面变形及表面粗糙度都有所增加;对于单光斑非搭接区域,试样表面变形的变化梯度较为平缓,光斑搭接区域,试样表面变形近似呈现“V”形变化。此研究为Nd∶YLF平顶激光冲击强化在钛合金材料上的应用提供了一定的技术参考。     

Effect of controlled shot peening and laser shock peening on the fatigue performance of 2024-T351 aluminum alloy

The influence of shot peening, laser shock peening, and dual (shot and laser peening) treatment on the fatigue behavior of 2024-T351 was investigated. Tests showed a fatigue life improvement in all three cases with laser shock peening and dual treatment displaying fatigue performance superior to shot peening. Fractographic analysis showed that the relatively poor performance of the shot peening is caused by ductility loss.     

Ti834合金激光冲击强化层显微组织及性能研究

激光冲击强化(Laser shock processing 简称LSP)又称激光喷丸,是一项新的表面强化处理技术。本文采用表面粗糙度仪、X射线衍射仪、显微硬度计分析了激光冲击前后Ti834合金的表面粗糙度、残余应力及显微硬度分布规律,并采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对冲击区域表面形貌及显微组织进行了表征。试验结果表明,Ti834钛合金经激光冲击处理后表面粗糙度、显微硬度和残余压应力均随激光冲击次数的增加而增大。经一次冲击和两次冲击后形成的强化层深度分别为170μm和265μm。由冲击波诱导形成的塑性变形层内可观察到大量位错缠结现象,LSP后位错密度的增加以及形变孪晶的出现有利于提升Ti834合金的机械性能。     

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。     

选区激光熔化TC4合金微观组织研究进展

选区激光熔化成形技术是制造TC4钛合金等难加工金属的一种非常有前景的方法,内部组织的难以控制是制约其大规模应用的一个瓶颈.本文概述了选区激光熔化成形中加工参数对TC4合金显微组织、残余应力分布的影响,以及热处理后显微组织的变化这3个方面的研究进展,并对今后组织相关的研究发展方向进行了展望.