激光冲击强化对钛合金棒件疲劳寿命的影响

为了研究激光冲击对TC4-DT钛合金圆棒残余应力分布及疲劳特性的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了不同冲击载荷下圆棒最小直径截面内残余应力的分布,并对试样先后进行了激光冲击强化试验和拉-拉疲劳试验,最后对疲劳断口形貌进行了对比分析。结果表明,圆棒试样会在表面及近表面形成残余压应力层,在内部及中心区域产生拉应力,且表面残余压应力和内部拉应力皆随冲击载荷的增大而增大;内部拉应力区域面积远大于表面压应力层面积,致使疲劳裂纹扩展加速,从而导致疲劳寿命降低,对圆棒试件的拉-拉疲劳性能产生不利影响;圆棒试样经激光冲击强化后疲劳裂纹源向内部转移,且位于内部最大拉应力区域。该研究对轴类零件经激光冲击强化后的应用条件具有一定的参考价值。     

TC17 钛合金激光多次冲击强化后组织和力学性能研究

对TC17钛合金激光冲击强化前后的微观组织和力学性能作了对比研究,将TC17钛合金进行同一功率密度下不同次数的激光冲击,分别利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X 射线衍射仪、残余应力测试仪和显微硬度计对激光冲击前后TC17钛合金的微观组织、残余应力和显微硬度进行了观察和测试。试验结果表明:TC17钛合金在不同次数激光冲击后,表面形成了剧烈塑性变形和高密度位错,晶粒细化明显,3 次激光冲击后有纳米晶形成;残余应力和显微硬度都随着冲击次数的增加数值增大,且沿深度方向的变化规律基本相同;与未冲击试样相比,5 次冲击后试样表面显微硬度提高了20.7%,沿深度方向300 m范围内影响明显,表面残余应力达到-644.3MPa,残余压应力影响层深度增加至1.9mm。     

微激光冲击提高TC17钛合金高周疲劳性能研究

针对钛合金薄构件激光冲击强化过程中由于在叶背部分冲击波反射与耦合降低残余压应力的问题,提出采用微激光冲击强化（μLSP）的方法对TC17钛合金进行强化,利用高周疲劳实验验证其改善效果,从残余应力和疲劳断口形貌观察两个方面讨论分析疲劳性能改善的原因。实验结果表明:与未处理试件相比,微激光冲击强化试件疲劳强度提高了32%。微激光冲击在钛合金试件表层诱导产生一定数值,深度为100 μm厚的残余压应力层;在残余压应力的作用下,疲劳裂纹源内移,同时在其疲劳断口扩展区中有疲劳条带和二次裂纹,这是微激光冲击后TC17钛合金试件疲劳性能改善的主要原因。     

双面激光冲击次序对小孔件强化效果影响研究

小孔构件是典型的应力集中细节,其易在疲劳载荷下产生裂纹,影响关键结构的使用性能和服役寿命。为了研究双面冲击次序对小孔件强化效果的影响,对双面激光同时冲击强化(双面对冲)和依次冲击强化的TC4-DT小孔构件进行了疲劳拉伸试验,并利用ABAQUS有限元软件,对两种冲击次序强化后的残余应力分布进行了仿真。结果表明,双面对冲的试样疲劳增益是双面激光依次冲击强化后的2倍以上;双面对冲后小孔件的应力分布更均匀,其疲劳源明显偏离厚度中点处,而双面激光依次冲击时,两激光冲击表面的残余应力差较大。仿真结果与试验有较好的一致性。     

激光冲击强化提高外物打伤TC4钛合金疲劳强度的试验研究

采用激光冲击强化(LSP)技术对TC4钛合金试件进行表面处理,利用空气炮试验系统对试件边缘进行外物冲击模拟,对外物打伤(FOD)试件进行拉-拉疲劳试验。结果表明,激光冲击强化有效提高了外物打伤TC4钛合金试件的疲劳强度;未强化试件疲劳裂纹源萌生在缺口根部靠近上表面的位置,强化试件的裂纹源萌生位置在材料内部,与缺口根部有一段距离,且裂纹萌生难度增大。数值应力分析结果表明,强化后试件凹坑的最大拉应力值为668.90 MPa,比强化前的1076.21 MPa减小了37.85%;强化后试件凹坑中心的残余拉应力比强化前平均减小了350 MPa;加载拉应力后,强化前后试件凹坑最大应力分别增大到1542.36 MPa和1124.37 MPa,强化后比强化前试件应力减小了30.22%,说明压应力对裂纹的萌生有明显的延缓作用。残余压应力的引入是激光冲击强化提高打伤试件疲劳强度的主要原因之一。     

激光冲击强化对K4030合金叶片疲劳性能的影响

为研究激光冲击强化对K4030合金叶片疲劳性能的影响,对K4030合金片进行了激光冲击强化,并对强化后的试样进行了表面粗糙度、残余应力、微观组织和显微硬度测试,对叶片进行了复合疲劳试验。测试结果表明,冲击强化前后试样的表面粗糙度没有明显变化;试样在距离材料表面1 mm的深度内产生大于450 MPa的残余压应力;试样冲击强化区内晶界处的晶粒得到了细化;试样在距离表面0.8 mm深度内的显微硬度得到了提高,且表面的显微硬度提高了16%。疲劳试验结果表明,激光冲击强化可显著提高K4030合金叶片的复合疲劳安全寿命。     

激光喷丸对TC17钛合金疲劳强度的影响北大核心CSCD

为了研究激光喷丸(LP)对TC17钛合金疲劳强度的影响,采用两次LP工艺对TC17钛合金进行了强化处理,并使用升降法测试比较了LP前后材料的疲劳强度。结果显示,LP可在TC17钛合金表面形成深度为11.7μm的微凹坑,产生的残余压应力为LP前的2.46倍。残余压应力的增大引起了裂纹源位置的变化及疲劳条带的细化,TC17钛合金的疲劳强度提高了3.9%。     

AZ31B镁合金激光喷丸后的形变强化及疲劳断口分析

对AZ31B镁合金中心缺口试样进行激光喷丸强化(LSP)处理,并进行拉-拉疲劳试验。通过研究激光喷丸前后表面完整性的变化规律,发现喷丸后AZ31B试样以滑移和孪生两种方式产生塑性变形,表面及深度方向显微硬度较基体提高50%左右,喷丸区表面残余压应力值达到-126.29MPa,晶粒内部出现大量滑移线和孪晶,晶粒明显细化。通过测量加载点轴向载荷和轴向位移分析了激光喷丸前后的疲劳性能,并比较激光喷丸前后疲劳断口形貌特征,发现喷丸后试样表面没有产生明显的疲劳裂纹源,残余压应力使裂纹尖端的实际应力强度因子降低,提高了疲劳裂纹萌生和扩展抗力,疲劳裂纹扩展路径较未处理试样更为曲折,最终断裂区韧窝尺寸比未喷丸件更大更深,表明激光喷丸后试样的塑性有所提升。     

变参数激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展特性

研究采用两种不同变能量参数激光冲击TC17钛合金,通过疲劳试验分析变能量参数激光冲击对其疲劳裂纹扩展寿命和扩展速率的影响规律,通过X射线残余应力测试仪分析激光冲击后试件表面残余应力分布状态。结果表明:相比于未强化试件,在高数值残余压应力作用下的强化后试件疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.74倍,稳定扩展初期疲劳裂纹扩展速率分别降低了21%和16%;在裂纹稳定扩展前期区域,LP-1试件扩展速率发生明显减小的现象,C′值最大,m值为最小,减为负数;LP-2试件C′值增大,m值减小。残余应力场分布是疲劳裂纹扩展的主要影响因素,两种强化方案对TC17钛合金疲劳裂纹扩展均产生抑制作用,激光能量越大,产生残余压应力值越大,激光冲击对裂纹扩展前期区域的强化作用大于对裂纹扩展中后期区域的强化作用。     

激光冲击处理钛合金

介绍了激光冲击处理(LSP)的特点和应用情况，研究了激光冲击处理对钛合金表面轮廓、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明，经激光冲击处理后效果十分明显，钛合金获得光斑大小的凹坑，凹陷值10～20 μm，残余应力最大可达-600 MPa以上，表面残余应力水平与高强度喷丸相当，但塑性变形程度明显大于喷丸;合适的激光参数和搭接率可以获得光滑平整的冲击区，双光束冲击处理涡轮叶片后有明显冲击痕迹和残余压应力，并且没有发现变形和裂纹。     

基于不同应力比下激光喷丸强化6061-T6铝合金的疲劳裂纹扩展性能研究

为了研究不同应力比下激光喷丸强化(LSP)对6061-T6铝合金疲劳裂纹扩展性能的影响,采用有限元软件ABAQUS和疲劳分析软件MSC.Fatigue相结合,对应力比为0.1、0.3、0.5条件下的6061-T6铝合金紧凑拉伸(CT)试样进行了激光喷丸强化疲劳裂纹扩展的数值模拟,分析残余压应力对高低应力比下的裂纹闭合效应,探索不同应力比对激光喷丸强化疲劳寿命增益的影响。结果表明,经过激光喷丸后,3种不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率较未处理试件都有一定的降低;应力比的取值对激光喷丸后CT试样的疲劳寿命有显著影响,应力比越小,激光喷丸对CT试样疲劳寿命的增益影响越明显。     

应力水平对激光冲击强化圆角疲劳寿命的影响

为了研究不同应力水平（疲劳试验过程中应力最大值）下,激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的影响,对半径为3mm的TC4-DT钛合金圆角试样进行了激光冲击试验,接着对试样进行拉-拉疲劳试验,在疲劳试验过程中采用的两种应力水平分别为385MPa和423MPa,应力比r=0.1,并通过扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析。结果表明,激光冲击强化后,疲劳源从圆角表面向内部移动,且疲劳辉纹宽度减小,圆角结构疲劳寿命得到提高;当应力水平从385MPa增大至423MPa时,圆角疲劳寿命增益由246.2%减小至111.8%;激光冲击强化后,圆角结构表面形成一定深度的参与压应力,疲劳性能得到提高;但随着应力水平增大,激光冲击强化对圆角结构疲劳寿命的增益减小。该结果为针对薄弱区域强化而抑制疲劳裂纹萌生的研究具有指导意义。     

激光喷丸对Ti-6Al-4V钛合金中高温性能影响研究

为了研究激光喷丸对中高温条件下Ti-6Al-4V钛合金残余应力、微观硬度及金相组织演变的影响,采用高功率、短脉冲Nd:YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面进行了激光冲击,并将冲击后的试样分别置于400℃,500℃,550℃和600℃的温度下进行了1h的保温处理。利用X射线衍射仪对强化区域的残余应力进行了检测,通过扫描电镜及透射电镜对微观组织进行表征,探究了强化效果与晶粒尺寸、位错运动间的联系。结果表明,激光喷丸处理在试样表层诱导产生较大幅值残余压应力,显微硬度提高;经550℃热处理1h后,残余应力影响层深约为100μm;经400℃、600℃热处理1h后,试样表层微观硬度分别下降了8.3HV和20.1HV;热处理后,晶粒尺寸总体呈现增大趋势。激光喷丸处理可以有效提高Ti-6Al-4V钛合金中高温力学性能。     

激光喷丸范围对小孔构件残余应力场的影响

为了研究不同激光喷丸范围下7050-T7451铝合金小孔构件残余应力场的变化规律,采用ABAQUS有限元分析软件对激光喷丸过程进行理论分析和数值仿真,分析了材料激光喷丸后表面及孔壁的残余应力分布。结果表明,随着喷丸范围的增大,表面残余压应力范围增大,冲击区域外围的残余拉应力由52MPa变为344MPa;孔壁的应力分布随喷丸范围的增加而变差,中间最差应力由压应力38MPa变为拉应力49MPa;在一定的喷丸范围内,激光喷丸范围的增加使表面压应力范围变大而使孔壁应力分布变差。对于激光喷丸强化小孔构件,应控制喷丸范围,兼顾板料表面及小孔孔壁的残余应力分布,以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术，可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下，也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响，如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数，如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等，以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验，对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明，在激光喷丸强化工件时，残余压应力层厚度存在一个最佳值，此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优，喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

应力水平下的激光冲击小孔构件疲劳扩展研究

激光冲击强化可以降低小孔构件裂纹扩展速率,提高疲劳寿命。疲劳扩展是疲劳寿命的主要组成部分,不同的应力水平会影响疲劳扩展,其对未强化试样和强化试样的影响是不同的。为此通过激光冲击强化TC4-DT钛合金双联小孔试样,然后进行疲劳试验,研究应力水平下的激光冲击小孔构件疲劳扩展。研究结果表明：应力水平提高会导致疲劳条带宽度增大,同时强化端同比增大尺寸大于未强化端,未强化端(I0)和强化端疲劳条带宽度(I1)差值(I0-I1)与未冲击端疲劳条带宽度(I0)的比值也有降低的趋势。因此,增大应力水平会增大疲劳条带宽度,应力水平的变化对激光冲击强化后试样的疲劳扩展影响更大,应力水平增大降低激光冲击强化疲劳寿命增益;在激光冲击强化参数一定时,应该规定适用的应力水平范围。     

激光冲击次数对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢高周疲劳性能的影响

高周疲劳是航空发动机部件的主要故障之一。通过对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢进行不同次数的激光冲击强化(LSP)处理,研究冲击次数对激光冲击强化材料高周疲劳性能的影响。对不同处理状态的试件进行常温振动疲劳试验,采用X射线衍射(XRD)应力分析仪、扫描电镜(SEM)、金相显微镜等手段研究冲击次数对材料组织和力学性能的影响。试验结果表明,随着LSP冲击次数的增加,1Cr11Ni2W2MoV不锈钢表面粗糙度增大,组织细化层厚度没有变化,残余应力梯度变小,残余压应力层深度增加,1次冲击后,残余压应力层深为1.8mm,3次冲击后为2.5mm。表面残余压应力随着冲击次数增加而逐渐趋于饱和,饱和值接近于-100%σ0.2。振动疲劳试验结果表明,疲劳寿命随着LSP次数增加而提高,但提高幅度减小。在σmax=640MPa应力水平下,1次冲击后试样疲劳寿命是未强化试样的3.8倍,3次冲击后试样疲劳寿命是未强化试样的5倍。经分析,多次冲击时的冲击波叠加效应使得冲击波传播到材料的更深层,从而使材料组织变形层和残余应力影响层更深,高周疲劳寿命提高更大。     

紧固孔多点激光喷丸诱导残余应力的数值模拟

激光喷丸强化技术是一种新型的材料表面改性技术相比于传统喷丸强化技术,具有明显的优势。采用试验与有限元分析相结合的方法,探讨了在一定冲击顺序下,多点激光喷丸强化处理后紧固孔周围残余应力的分布情况。结果表明,通过多个直径为2.6mm光斑的组合能形成一个直径近似为6mm的较大圆形冲击区域,可用来替代大直径光斑进行冲击强化。在多点激光喷丸强化过程中,由于多个光斑叠加,导致冲击区域的表面残余压应力幅值由第一点冲击后的134 MPa增加到冲击结束后的254 MPa,冲击区域变形深度也逐渐增大到26.6μm。在冲击区域钻孔后,紧固孔孔口边缘处的最大残余压应力值明显减小。模拟值与实验值吻合较好。     

激光冲击GH625高温合金抗疲劳性能研究

为了研究激光冲击处理对GH625高温合金抗疲劳性能的影响，采用激光冲击强化技术处理厚度为2 mm的GH625高温合金板材。分析了GH625高温合金激光冲击处理前后的微观组织、物相组成、残余应力、断口、疲劳寿命等方面的变化。结果表明：与母材相比，激光冲击处理后试样的表层晶粒细化；试样的表层残余应力状态发生改变，由原始的拉应力(5 MPa～16 MPa)变为压应力(-526 MPa),激光冲击后的残余压应力影响深度可达1.5 mm;激光冲击试样的疲劳寿命是母材试样的3.05倍。表层晶粒细化、残余压应力和加工硬化是激光冲击强化技术提升GH625抗疲劳性能的重要原因。     

循环载荷下激光喷丸诱导的表面残余压应力释放特性研究

为了研究6061-T6铝合金激光喷丸后表面残余压应力在循环加载过程中的释放特性,对典型单联狗骨状试样进行激光喷丸处理及保温处理,利用MTS-809拉扭组合材料测试系统进行不同循环应力水平和循环周次的疲劳实验,并使用X-350A型X射线应力测定仪测量试样表面残余压应力的变化。结果表明,残余压应力的松弛主要发生在疲劳过程开始的100次循环周期内,1000次循环周期后残余压应力基本趋于稳定。不同应力水平下的松弛行为表明,循环应力较小时,残余压应力松弛的幅度和速率相对较小;当循环应力接近材料屈服强度时,残余压应力松弛的幅度和速率较大,循环后期残余压应力完全释放,在表面产生残余拉应力。与未经保温处理的激光喷丸试样相比,试样经过150℃保温处理10 min后,表面残余压应力下降,但在循环载荷作用下应力松弛的幅度和速率都较小,残余压应力的稳定性得以提升。