喷丸强化对2024铝合金/钛合金铆接件微动疲劳性能的影响

目的 研究机械喷丸强化对2024铝合金铆接件(螺栓为钛合金)微动磨损及疲劳寿命的影响。方法 利用X射线衍射仪、维氏硬度计、激光共聚焦显微镜和扫描电镜等设备,分析机械喷丸前后试样的表面完整性、磨痕表面形貌、磨痕轮廓和磨损体积。结果 采用机械喷丸强化处理能够显著提升铆接件的平均疲劳寿命,相较于原始试样,最高提升了约36.3倍。经断口失效分析发现,喷丸强化后试样的疲劳裂纹源位置发生了转移,原始件裂纹源位于铆接孔棱角的表面(板面与孔交界位置),板面喷丸后(只对铆接板表面进行喷丸处理)试样的裂纹源转向铆接孔壁的表面,板面+孔面+石墨润滑喷丸后试样的裂纹源转向铆接孔次表面(强化效果最好)。机械喷丸强化对铝合金微动耐磨性能的影响随着喷丸工艺参数的变化而波动。在线/面微动摩擦测试中,原始样品的磨痕深度为41.5 μm;采用0.2A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.2A?200%)的喷丸参数时,磨痕深度降至34.6 μm,耐磨性得到提高;在0.3A的喷丸强度、200%的覆盖率(记为0.3A?200%)的喷丸参数时,磨痕深度升至58.9 μm,耐磨性降低。经喷丸强化后铝合金的微动磨损机制由黏着磨损向脱层磨损转变。通过电子背散射衍射研究发现,喷丸处理使得样品表层小角度晶界所占比例增多,表层晶粒细化。结论 铆接件微动疲劳性能的强化效果得益于喷丸在材料表面引入的残余压应力场和加工硬化层的共同作用。     

激光喷丸与机械喷丸复合强化对2124-T851铝合金疲劳寿命的影响

目的 研究激光喷丸(LSP)、机械喷丸(SP)及其复合强化(LSP+SP)对2124-T851铝合金四点弯曲疲劳寿命的影响.方法 激光喷丸强化的脉冲激光能量为6 J,脉冲宽度为20 ns,光斑直径为2 mm,半圆搭接.喷丸强化采用直径为0.3 mm的陶瓷弹丸,喷丸压力为0.2 MPa,喷丸覆盖率大于100％.采用X射线衍射的方法测定强化层的残余应力.采用显微硬度仪测定显微硬度.在MTS伺服试验机上测定试样四点弯曲疲劳寿命.使用扫描电子显微镜观察疲劳试样断口.采用列表梯形法分析计算试样的疲劳裂纹扩展寿命和萌生寿命,分析机械喷丸和激光喷丸强化层性能对疲劳寿命的影响.结果 LSP+SP试样残余应力场和硬度场近表层的数值与SP试样相近,表面残余应力为–260 MPa,表面硬度为178HV.LSP+SP试样残余压应力场和应变硬化场深度与LSP试样相近,可达3 mm以上.与未强化(AR)试样相比,SP、LSP和LSP+SP试样的平均疲劳寿命分别提高了214％、217％和312％.结论 喷丸强化的显著应变硬化作用提高了SP试样和LSP+SP试样的裂纹萌生寿命,激光喷丸强化引入的深层残余压应力场提高了LSP和LSP+SP试样的裂纹扩展寿命,LSP+SP复合强化兼具SP和LSP工艺的疲劳寿命强化作用.     

喷丸与CuNiIn涂层复合处理对高温合金榫试样微动疲劳性能的影响∗

汽轮机叶片榫结构接触部位易发生微动疲劳失效,但行业内仍缺乏有效解决措施,因此开展了不同载荷下不同表面改性技术处理后 10705BX 铁基高温合金榫结构微动疲劳试验研究。分别对原始未处理（AS）、喷丸处理（SP）及喷丸与 CuNiIn 涂层复合处理（SC）的 10705BX 铁基高温合金榫结构试样的微动疲劳性能进行测试分析,在微动疲劳试验前后,对原始、 喷丸处理及复合处理后的 10705BX 铁基高温合金的表截面形貌、断口形貌及力学性能进行表征分析。结果表明：原始、喷丸处理和复合处理试样表面粗糙度 Sa 分别为 0.08、3.38 和 13.65 μm。喷丸处理后表面硬度提高了 16%,加工硬化层深度约为 80 μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了 7.8 倍。复合处理的涂层平均厚度约为 50 μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了 4.2 倍,相比较喷丸处理来说,复合处理后材料的微动疲劳寿命提升较弱。原始、喷丸处理和复合处理试样的裂纹均为多疲劳源萌生,但是喷丸和复合处理后的裂纹源数量明显减少。喷丸处理和复合处理后裂纹的扩展速率均显著提高。喷丸后试样表层获得加工硬化层并且引入残余压应力,主要提升了裂纹萌生寿命。喷丸处理及喷丸与 CuNiIn 涂层复合处理方法有望成为提升汽轮机叶片服役寿命的重要备选途径。     

铝合金紧固孔复合强化工艺研究

目的研究激光喷丸-冷挤压复合强化工艺对7050铝合金紧固孔疲劳源、疲劳寿命的影响。方法利用ABAQUS软件进行复合强化工艺的有限元仿真,并在强化后施加循环载荷获得残余应力数据,然后在应力水平为195 MPa、应力比为0.1的条件下进行疲劳实验,并把仿真和疲劳实验的结果与激光喷丸、冷挤压进行对比。结果复合强化工艺能同时对表面和孔壁进行强化,复合强化工艺比激光喷丸表面和孔壁的残余压应力大,循环载荷下两者残余应力的差异减小。冷挤压工艺表面全部是拉应力,循环载荷下挤出面孔角附近的残余应力由-928 MPa变为300 MPa。未处理紧固孔的疲劳源位于孔角处,激光冲击强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,冷挤压紧固孔的疲劳源位于挤出面孔角附近,复合强化紧固孔的疲劳源位于中间孔壁处,复合强化紧固孔的疲劳裂纹扩展区面积最大。未处理、激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命分别为65 918、165 117、114494、225 209。结论与未处理的紧固孔的疲劳寿命相比,激光喷丸、冷挤压、复合强化的紧固孔的疲劳寿命都有所增加,复合强化的紧固孔的疲劳寿命最大,复合强化能够进一步提高紧固孔的疲劳寿命。激光喷丸和复合强化诱导的残余压应力层能够抑制疲劳裂纹萌生于表面,而冷挤压工艺则不能。     

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。     

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。     

孔强化处理对带孔镁合金零件疲劳性能的影响

利用孔挤压、机械喷丸、孔挤压+机械喷丸复合处理对带孔镁合金试样进行孔强化处理,研究孔强化处理对带孔试样疲劳寿命的影响,利用扫描电子显微镜观察了不同处理方法下疲劳试样断口形貌。结果表明,孔表面经挤压及机械喷丸处理后,试样表面最大残余压应力较高,表面晶粒细化明显,疲劳裂纹源区由试样上表面尖角处转移到了强化层以内,从而使试样疲劳寿命显著提高,是未处理试样的3倍。     

激光冲击喷丸对LY12合金疲劳寿命的影响

研究了激光冲击喷丸对含中心紧固孔LY12合金试样的疲劳寿命的影响。试样表面经连续三次激光冲击喷丸处理后,可获得351MPa的表面残余压应力,且深度可达1．3mm以上。疲劳试验结果显示,激光冲击喷丸后,试样的裂纹扩展速率比未喷丸试样低约一个数量级,疲劳寿命约为未喷丸试样的20倍。结果表明,激光冲击喷丸是改善构件或材料疲劳性能的有效表面处理技术,在航空工业具有广泛的应用前景。     

ZL702A铝合金构件微动疲劳寿命预测研究

目的探讨ZL702A铝合金的微动损伤机理,寻找适合的微动疲劳寿命预估模型。方法以ZL702A铝合金为研究对象,设计方足桥-试件微动模拟件进行微动疲劳实验,用4XC-PC金相显微镜观察断裂试件表面的磨损形貌,探讨微动损伤机理。建立方足桥-试件有限元模型,编程计算剪应变幅、法向正应力、相对滑移距离等微动特征参数,分别运用FS、KBM、Mc Diarmid以及Ruiz参数预测ZL702A铝合金微动疲劳寿命。结果疲劳裂纹主要在局部塑性区成核,剪切应变可以加速裂纹核的形成,疲劳裂纹增长是裂纹尖端剪切带不断聚合的过程,裂纹面上的法向应力/应变使这种聚合加速。法向载荷保持不变,随着最大轴向力的增大,微动损伤增大。4种微动疲劳寿命预估模型的结果表明,微动损伤在试件接触区边缘最大,容易萌生微动裂纹,与实验值一致。微动疲劳寿命预测结果表明,Ruiz参数预测结果与实验结果误差在2倍公差带因子范围内,最接近实验值。结论微动磨损区分为粘着区、混合区、滑移区,在混合区边界上最容易发生塑性变形,萌生微动疲劳裂纹,用Ruiz参数预测ZL702A铝合金的微动疲劳寿命是可行的。     

喷丸对预腐蚀后铝合金疲劳性能的影响

目的分析喷丸对铝合金腐蚀损伤构件疲劳性能的影响,为飞机构件的维修提供有效指导。方法以未喷丸、三面喷丸、三面喷丸腐蚀后再三面喷丸3类不同表面状态的7075铝合金试样为研究对象,改变Na Cl溶液质量分数、时间、温度,获得两种程度不同的腐蚀损伤,通过疲劳寿命、断裂位置、断口形貌,分析表面喷丸状态对铝合金疲劳性能的影响。结果腐蚀损伤较轻时,喷丸试样的疲劳寿命为未喷丸试样的7.84倍,喷丸试样腐蚀后若再喷丸处理,疲劳寿命是不再喷丸试样的1.62倍。未喷丸试样的断裂位置位于截面突变颈部区域,另两类喷丸试样的断裂位置则在夹持段前端。未喷丸试样的裂纹在断口表面的边缘位置形成,喷丸试样的中心区域形成光滑平整的稳态扩展区。腐蚀损伤严重时,喷丸处理仍然会提高铝合金的疲劳寿命,但3类不同表面状态试样的疲劳寿命差距会缩小;从试样断裂位置、断口形貌看,3类试样的差异也会弱化。结论铝合金腐蚀损伤件若腐蚀前进行表面先喷丸处理,疲劳性能会有明显提升;若腐蚀后再喷丸处理,疲劳性能还会进一步提升;喷丸处理还会削弱铝合金外形截面突变处的应力集中,抑制疲劳裂纹在构件表面的萌生及延伸。     

激光冲击喷丸对LY12合金疲劳寿命的影响

研究了激光冲击喷丸对含中心紧固孔LY12合金试样的疲劳寿命的影响。试样表面经连续三次激光冲击喷丸处理后，可获得351MPa的表面残余压应力，且深度可达1．3mm以上。疲劳试验结果显示，激光冲击喷丸后．试样的裂纹扩展速率比未喷丸试样低约一个数量级，疲劳寿命约为未喷丸试样的20倍。结果表明，激光冲击喷丸是改善构件或材料疲劳性能的有效表面处理技术，在航空工业具有广泛的应用前景。     

湿喷丸强化对TC4疲劳性能的影响机制

利用湿喷丸技术对TC4钛合金进行表面改性处理,显著提高了材料疲劳寿命。对疲劳断口微观组织观察发现,湿喷丸强化处理使试样疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部约1 mm深度区域。通过对湿喷丸改性层微观组织分析可知,改性层内的细晶强化和位错强化是导致裂纹萌生位置发生改变的主要因素。湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。细晶强化、位错强化和残余压应力共同作用提高TC4钛合金的抗疲劳性能。     

湿喷丸强化对TC4合金疲劳断裂机制的影响

利用湿喷丸技术对TC4钛合金进行表面改性处理,显著提高了材料疲劳寿命。对疲劳断口微观组织观察发现,湿喷丸强化处理使试样疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部约1 mm深度区域。通过对湿喷丸改性层微观组织分析可知,改性层内的细晶强化和位错强化是导致裂纹萌生位置发生转移的主要因素,同时,湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。细晶强化、位错强化和残余压应力共同提高了TC4钛合金的抗疲劳性能。     

硅铝合金柴油机机体紧固面微动疲劳研究

目的针对柴油机机体和主轴承盖紧固面之间发生的微动疲劳失效现象,探讨微动状态下柴油机硅铝合金机体的裂纹萌生特性及寿命评价方法。方法建立机体紧固面组合结构有限元模型,计算机体紧固面上的应力/应变历史数据,在此基础上分析机体紧固面的接触状态,探讨摩擦系数及摩擦功对微动疲劳特性的影响。采用多轴疲劳参数(CCB、F、SSI、Ruiz参数)预测了机体微动裂纹萌生位置,对所用参数进行修正,建立适用于机体紧固面的微动疲劳寿命预测模型。结果预测结果与实验值对比可知,F、SSI参数与实验结果差异较大,CCB和Ruiz参数的寿命预测结果与实验值接近,在2.3倍公差带因子范围内。但由于CCB参数预测的裂纹萌生位置和机体实际断裂位置不符,所以不能用于机体微动疲劳寿命预测。结论在接触状态突变的区域容易萌生微裂纹,适当增大摩擦系数或者降低摩擦功可以抑制机体的微动疲劳损伤。Ruiz参数预测的机体微动疲劳寿命与实验值最为吻合,用Ruiz参数评估柴油机硅铝合金机体的微动疲劳寿命可以将误差控制在2.3倍公差带因子范围内。     

Mo电极电火花强化与喷丸复合提高Ti合金微动疲劳抗力

采用Mo电极分别在空气和硅油中对Ti811钛合金表面进行电火花强化处理（ESS），探讨消除强化层中裂纹缺陷的途径。将ESS与喷丸强化复合，拟使Ti合金微动疲劳（FF）抗力得到显著改善。结果表明：Mo电极在空气中电火花强化处理Ti811钛合金表面后，强化层出现明显的微裂纹缺陷，由此导致其微动疲劳抗力降低。在硅油中用Mo电极电火花处理Ti811合金不仅消除了表面裂纹缺陷，而且使钛合金表面具有良好的减摩润滑作用，显著改善了钛合金基材的耐磨性能；再经喷丸强化处理，使钛合金基材的微动疲劳抗力显著提高。     

7A09超高强铝合金表面强化实验研究

利用气动式喷丸机对7A09超高强铝合金试样进行喷丸强化,对喷丸强化前后试样小孔两侧残余应力分布进行测试,探讨了喷丸时间对7A09铝合金疲劳寿命的影响,分析机械喷丸强化前后铝合金试样疲劳断口。结果表明,机械喷丸强化后,7A09超高强铝合金表层分布高幅值残余压应力,表层残余压应力分布显著地降低了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命明显提高;通过扫描疲劳断口,发现未处理试样的疲劳裂纹源位于孔壁上表面的尖角处,而机械喷丸强化试样的裂纹源逐渐转移到强化层以内,在最终断裂区内分布大量韧窝,且韧窝形态随喷丸时间的延长而增大,并且韧窝尺寸更深,说明机械喷丸改善了最终断裂区的塑性。     

GH4169合金不同孔形气膜冷却孔疲劳性能对比分析

气膜冷却孔是航空航天高温部件常见冷却设计,但属于典型结构疲劳危险点。为了优化气膜冷却孔热-机械性能,本研究通过疲劳试验和有限元建模分析,研究GH4169合金相同底孔尺寸下的气膜冷却孔疲劳性能。研究表明：相同底孔直径下,90°圆孔疲劳寿命远低于倾斜圆孔、扇形孔和扇形后倾孔;相同孔倾角下,孔形对疲劳寿命影响较小;90°圆孔发生单断口疲劳断裂,断口与加载方向基本垂直,而倾斜圆孔、扇形孔、扇形后倾孔在孔根部附近发生疲劳断裂,断口向孔轴方向倾斜,除主断口外在孔根部均出现亚断口;90°圆孔断口疲劳裂纹在孔壁中间萌生,而倾斜圆孔和扇形孔疲劳裂纹在孔口部位萌生,且呈现多源萌生特征;裂纹萌生区平整光滑,随着裂纹扩展断口表面韧窝明显增多;孔轴倾角和孔口形状对孔周应力分布及最大应力水平具有显著影响。     

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。     

不同表面改性强化处理对TC4钛合金表面完整性及疲劳性能的影响

对TC4钛合金进行了喷丸强化、激光冲击强化和低塑性抛光3种表面强化改性处理,测定了不同表面改性处理下的表面粗糙度、显微硬度、残余应力及微观组织,研究了不同表面改性处理下的旋转弯曲疲劳性能,利用SEM观察分析了疲劳断口特征,提出了表面强化改性机理和效果评价方法.结果表明,喷丸强化、激光冲击强化和低塑性抛光3种表面强化改性处理后,TC4钛合金的旋转弯曲疲劳寿命提高,疲劳强度也大幅度提升,而且疲劳裂纹位于表面强化层下的次表层;对于未表面强化改性处理的TC4钛合金,疲劳裂纹位于表面.基于位错理论,对次表层裂纹萌生抗力和疲劳强度进行了分析并给出了定量分析模型.     

喷丸表面粗糙度对疲劳寿命影响研究

为研究喷丸处理对铝合金表面粗糙度及其抗疲劳性能的影响,文章提出一种采用数值模拟计算表面粗糙度的方法。首先利用ABAQUS有限元软件建立多丸粒喷丸强化数值模型,将得到的残余应力结果与文献实验结果进行对比以验证该模型的准确性。然后选用轮廓最大高度Rz作为表面粗糙度参数,设计正交试验研究弹丸尺寸、冲击角度、冲击速度和弹丸数量对工件表面粗糙度的影响程度,进而分析喷丸表面粗糙度对应力集中系数和疲劳裂纹萌生寿命的影响。结果表明:四因素对Rz的影响程度依次为:弹丸直径冲击角度冲击速度弹丸数量。疲劳裂纹萌生寿命受表面粗糙度的影响,但两者间并非一一对应关系。应力集中系数由工件表面粗糙度和弹坑底部曲率半径共同影响,且两者呈反比关系,即应力集中系数越大,疲劳裂纹萌生寿命越短。