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。     

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。     

GH4169 高温合金激光冲击强化层微观结构和微动疲劳行为研究

目的 提高GH4169镍基高温合金的微动疲劳寿命。方法 利用激光冲击强化（LSP）技术对GH4169高温合金榫试样进行表面强化处理并研究其微动疲劳性能。借助激光共聚焦显微镜（LCSM）、X射线衍射仪（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、显微硬度计、X射线应力分析仪、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）及高频疲劳试验机,对激光冲击强化前后的GH4169高温合金的微观组织、硬度、残余应力、微动疲劳寿命、断口形貌和裂纹扩展情况进行分析。结果 激光冲击强化后表面硬度提高了17.3%,硬化层深度约为0.63 mm,表面残余压应力为331.5 MPa。经激光冲击强化后变形层中晶粒未发生明显细化,表明激光诱导冲击波主要引起GH4169高温合金中位错的形成而不是位错的运动。在20 kN峰值载荷下,尽管强化后的断裂机制没有发生明显的变化,但是强化后榫试样的微动疲劳寿命比未处理的试样提高了827%,裂纹从多疲劳源转变为单疲劳源,裂纹萌生位置从表面转移到距表面234 μm的次表面,激光冲击强化显著提升了GH4169的萌生抗力和扩展速率,扩展区域的疲劳条带间距从未处理的0.50 μm增加到了强化后的1.01 μm,这可能与残余应力的突变与松弛有关。结论 在激光冲击强化后获得硬化层和残余应力场共同影响下,GH4169高温合金榫试样的微动疲劳寿命得到了显著提升。     

冷却速率对Ti55531合金组织与性能的影响

研究了β退火冷却时冷却速率对Ti55531合金显微组织、室温拉伸性能、断裂韧度和冲击性能的影响。结果表明，Ti55531合金以不同的冷却速率炉冷后，显微组织均由平直晶界α相（α_(GB)）、残余β相以及尺寸不一的晶内片层状α相（α_(WM)）组成；随着冷却速率的提高，晶内片层状α相厚度逐渐减小，晶界α相厚度变化不是很明显；Ti55531合金在进行β退火冷却时析出的片层状α相厚度与其力学性能有着直接的关系，随着片层状α相厚度的减小，其抗拉强度和屈服强度逐渐增加，延伸率和断面收缩率逐渐减小，断裂韧度和冲击吸收能量均呈现逐渐减小的趋势。     

激光冲击强化对AZ31和AZ80-T6镁合金显微组织及力学性能的影响

为了研究激光冲击强化(LSP)对镁合金力学性能的影响,采用电子万能拉伸机和显微硬度测试仪研究AZ31和AZ80D-T6镁合金拉伸应力-应变曲线和显微组织。结果表明:经LSP处理后,AZ80-T6和AZ31合金的抗拉强度分别增加4.6%和15.7%,其表层硬度分别增加22.7%和31.8%;AZ31合金激光冲击强化效果比AZ80D-T6合金的更加显著,激光冲击产生高幅残余压应力和高密度孪晶以及细小片层状、短棒状或动态析出β相,晶粒细化形成超细晶,并讨论预时效β析出相对镁合金激光冲击强化的影响和拉伸断口特征。     

钒掺杂镁基微弧氧化膜的制备及电化学与光学性能

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.     

TB6与TC4钛合金高周疲劳性能对比研究

采用热模锻造方式制备出TB6与TC4钛合金行星齿轮架毛坯,并对毛坯进行热处理,然后切取试样,测试其高周疲劳性能,对比分析疲劳断口形貌。研究表明：TB6钛合金试样疲劳强度平均值为723.0 MPa,其在存活率90%、置信度95%条件下的疲劳强度下极限为677.1 MPa; TC4钛合金试样疲劳强度平均值为437.7 MPa,其在存活率90%、置信度95%条件下的疲劳强度下极限为405.8 MPa。从疲劳断口形貌上来看,TB6与TC4钛合金均以解理断裂为主,且二者均具有一定的韧性。TB6钛合金锻件疲劳强度的波动性小于TC4钛合金锻件,且高周疲劳性能更好,可以作为行星齿轮架的备选材料。     

CMT电弧增材制造TC4钛合金的显微组织与力学性能

采用冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术制备了TC4钛合金样品,测试了沉积态试样的拉伸性能、冲击性能和疲劳性能,讨论电弧增材制造钛合金成形件的疲劳断裂机理。结果表明：经历CMT工艺条件下的快速熔凝过程后,钛合金成形件内宏观组织由外延生长的粗大β柱状晶组成,显微组织为细长α片层和网篮组织。成形件拉伸强度较高,达到锻件拉伸强度水平,但是塑性较低,略低于锻件塑性,且存在一定的各向异性,拉伸断口呈现半解理断裂与半韧性断裂特征。沉积态钛合金成形件具有良好的冲击性能,但冲击性能的各向异性并不显著。钛合金成形件的高周疲劳极限为460 MPa,疲劳源均形核于条状未熔合缺陷及气孔缺陷处。缺陷直径越大,距离表面越近,应力集中现象就越明显,导致样品具有较低的疲劳强度和疲劳寿命。     

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。     

2A12铝合金T6和T8时效态的疲劳性能

在MTS-8032疲劳试验机上对不同时效状态的2A12铝合金进行轴向拉伸应力疲劳试验,并采用扫描电镜(SEM)分析该合金T6和T8时效状态对疲劳断口形貌的影响。结果表明:T6态(495℃×1 h水淬,190℃×8 h时效)和T8态(495℃×1 h水淬,预拉伸4%后进行190℃×6 h时效)2A12合金棒材,轴向疲劳寿命都随着应力水平的提高而降低。在较高应力水平如420 MPa,T6态和T8态合金的轴向疲劳寿命相近,都在105左右。而在较低应力水平如280 MPa,T8态合金的疲劳断裂循环周次较高。预变形处理提高合金300 MPa应力水平以下的疲劳寿命。T6态合金在107次的疲劳强度约为220 MPa,而T8态合金在107次的疲劳强度约为280 MPa。4%的预拉伸变形处理可以提高合金的疲劳强度。     

显微组织均匀性对片层Ti-55531合金高周疲劳裂纹萌生的影响

采用高周拉压疲劳试验,测试了片层Ti-55531合金的室温高周疲劳性能。利用TEM、SEM等分析检测方法,研究了近裂纹源区次生裂纹特征,以及显微组织均匀性对高周疲劳裂纹萌生的影响。结果发现:该片状Ti-55531合金室温高周疲劳强度σ_(-1)(1×10~7)可达639 MPa。合金显微组织中含少量晶界α和大量10~50μm大小的组织不均匀区,疲劳变形时,晶界α处开裂或组织不均匀区内次生αs断裂、α_s/β_r界面处开裂等萌生微裂纹,促进合金的疲劳失效。     

TC27钛合金疲劳断裂特性研究

钛合金是航空领域应用十分广泛的金属材料之一。通过进行断裂韧度测试试验和腐蚀环境下的裂纹扩展速率试验,研究了TC27钛合金疲劳断裂特性,将TC27钛合金的疲劳断裂特性与Ti55531钛合金进行了对比。结果表明:TC27与Ti55531的疲劳性能基本持平。     

激光冲击强化前处理对TiN/Ti涂层/基体疲劳性能的影响

采用磁过滤阴极真空弧技术在TC4钛合金表面沉积抗冲蚀多层梯度TiN/Ti涂层,沉积前对基体进行激光冲击强化前处理。采用原子力显微镜、纳米压痕和划痕仪表征了试件的表面形貌、基本力学性能等,对试件的疲劳性能进行了考核,并分析了疲劳断口形貌。结果表明,LSP前处理在TC4表面形成了厚度约为300μm,具有高硬度和残余压应力的硬化层。TC4合金基体的平均疲劳强度为373.8 MPa,制备TiN/Ti涂层后试件的疲劳强度为363.7 MPa,较基体略有降低。增加LSP前处理后试件的疲劳强度为411.9 MPa,较TiN/Ti涂层试件提高13.3%,较无涂层试件提高10.2%。TiN/Ti涂层可以抑制表面上的裂纹萌生并减缓其扩展速率,但在拉伸过程中发生破碎而与基体发生剥离,裂纹抑制效果有限,且涂层的破裂促进了裂纹扩展。采用LSP前处理后,TC4表面形成的硬化层增加裂纹萌生难度,且提高的结合强度可降低裂纹扩展速率。     

激光冲击强化对FV520B钢疲劳寿命的影响

为提高叶轮的使用寿命,对叶片的抗疲劳性能提出了更高的要求,激光冲击强化（LSP）处理是提高材料抗疲劳性能的重要途径。针对FV520B钢棒状试样进行LSP试验和不同应变幅值下的单轴低周疲劳试验,并进行疲劳寿命预测。结果表明,LSP后试样的表面硬度由330 HV提升至490 HV,且LSP后试样表面产生约-90 MPa的残余压应力。相比于未冲击试样,LSP试样的疲劳寿命均有所提高,±0.5%应变幅值下试样的疲劳寿命提高132.2%。SEM结果表明,LSP后试样表面产生的残余压应力抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,裂纹萌生位置由试样表面向次表面转移,且疲劳条纹的间距和韧窝尺寸减小,从而延长了试样的疲劳寿命。采用Manson-Coffin方程针对光滑试样和LSP试样进行疲劳寿命预测,总的来说,对于光滑试样预测结果与试验结果吻合较好;对于LSP试样,预测的疲劳寿命偏保守。考虑残余压应力的影响针对Manson-Coffin方程进行修正,得到了较好的预测结果。研究结果可为FV520B材料LSP处理工艺和疲劳失效研究提供理论依据。     

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。     

冷坩埚定向凝固Ti-47Al-2Cr-2Nb合金的拉伸与高周疲劳性能研究

采用冷坩埚定向凝固技术制备了定向柱状晶的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭,在改变抽拉速率的情况下,所获得的铸锭具有不同片层间距的全片层组织.通过拉伸性能实验,测得其室温极限抗拉强度最高达到652 MPa,伸长率最大达到1.5%,而高温极限抗拉强度最高达到490 MPa,伸长率最大达到5.0%.通过高周疲劳性能实验,绘制了抽拉速率分别为1.0和1.2 mm/min时定向凝固合金的应力-循环次数(S-N)曲线以及应力比R为0.1时的疲劳极限值.对比断口形貌分析表明,室温时试样拉伸断裂方式为脆性断裂,而经高周疲劳实验后断裂方式为脆性解理断裂;高温时试样拉伸断裂方式则为大部分脆性断裂与少部分延性断裂并存.对高周疲劳试样断口的分析表明,疲劳裂纹在相界面和B2相附近萌生,据此基于塑性钝化理论分析了其裂纹扩展机制,并绘制了高周疲劳裂纹扩展模式图.     

金属基复合材料激光冲击高周疲劳行为及增寿机理

为提高金属基复合材料的高周疲劳性能，采用激光冲击强化表面改性处理SiC颗粒增强2009铝基复合材料(SiCp/2009Al)探究其三点弯曲高周疲劳寿命，揭示了激光冲击过程中的残余应力、显微硬度、表面形貌和微观组织等演变规律。结果表明，激光能量为10、20和30 J激光强化冲击后SiCp/2009Al的高周疲劳寿命分别明显提高了131%、259%和182%,其对应的表面残余应力分别为-127.3、-156.0和-168.3 MPa。激光冲击在SiCp/2009Al表面诱导了深度为30μm左右的变形凹坑，表层显微硬度由母材的160 HV提高到180 HV,并出现了大量高密度位错组织。金属基复合材料表层的残余压应力和显微硬度明显得到提高，获得了可观的疲劳寿命增益。     

激光冲击处理对TC4氩弧焊焊缝力学性能的影响

采用激光冲击处理(LSP)工艺对TC4钛合金钨极氩弧焊焊缝进行焊后处理,分别检测经过激光处理的焊缝及未经处理的焊缝的表面显微硬度、接头的拉伸性能、接头的疲劳寿命。结果表明:与未经LSP处理的接头相比,TC4钛合金TIG焊焊缝经过激光冲击强化处理后,焊缝区域表面显微硬度降低,而焊缝热影响区表面显微硬度增大;焊接接头的抗拉强度、屈服强度、断后延伸率、疲劳寿命均得到了不同程度的提高。     

时效处理对Ti55531钛合金微观组织演变规律及力学性能的影响

在INSTRON-5948R微型材料试验机上开展了近β型钛合金Ti55531经800℃/2 h固溶+580～640℃/6～10 h时效热处理后的力学性能试验,获得了不同时效工艺下Ti55531合金的力学性能及强塑积。研究了时效处理对合金微观组织演变规律及合金在拉伸变形时的断裂机制。结果表明：次生片层αs相对时效参数变化比初生α相更敏感。次生片层αs相厚度与时效温度或时效时间呈线性正相关。与时效时间对比可知,次生片层αs相粗化速率对时效温度敏感性较弱,且其随时效温度和时效时间粗化速率分别约为1 nm/℃和8 nm/h。合金经固溶时效后,其力学性能显著提升,且合金在800℃/2 h固溶+640℃/8 h时效后达到最佳的综合力学性能,此时抗拉强度为1144 MPa,延伸率为8.16%,且强塑积超过9.3 GPa·%。合金经固溶时效热处理后拉伸断裂形式为韧脆混合型断裂,且以韧性断裂为主,包括晶间开裂和微孔合并。