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。     

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。     

激光冲击波加载金属材料中心压应力缺失效应

纳秒脉冲、千兆瓦级激光辐照金属材料产生高压等离子体冲击波,作用于金属材料表面并向内传播,产生残余压应力场.但在单次冲击加载时,残余压应力场中心出现的残余压应力值小于加载边缘,应用理论分析和实验测试的方法解释了这一过程,并结合激光诱导冲击波Fabbro方程和TC4钛合金动态响应模型,建立了不同形式冲击波加载TC4钛合金的数值仿真模型,分析了冲击波压力、作用时间和加载形式对中心压应力缺失的影响.     

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。     

TC17钛合金单双面激光冲击残余应力分布研究

为了探明双向钛合金TC17在单双面激光冲击强化下残余应力分布特征，采用数值分析方法研究了单双面冲击下残余应力分布规律。结果表明，单面冲击稳定后会在冲击对面产生拉应力，在冲击表面产生压应力，双面同时冲击时一部分残余压应力抵消了拉应力，同时又由于应力波的叠加和削弱作用，导致残余应力水平下降；单面激光冲击强化获得的x方向和y方向的最大残余应力分别为336.709MPa和337.011MPa，而双面同时激光冲击强化在两个方向均为326.401MPa；单面冲击会由于拉应力的产生而不利于抑制裂纹；双面同时冲击时试件两面的残余应力分布基本一致，双面顺序冲击时先冲击面残余应力要高于后冲击面；有限大试件需考虑冲击波的横向传播对残余应力的影响。该结果对单双面激光冲击强化的残余应力分布规律研究具有一定的指导意义。     

激光冲击与喷丸复合强化对TC4钛合金细节疲劳额定强度截止值DFR_(cutoff)的影响

为研究激光冲击与喷丸复合强化对TC4钛合金疲劳性能的影响,在测试不同强化工艺状态(未强化状态、喷丸强化状态、激光冲击强化状态、激光冲击与喷丸复合强化状态)TC4钛合金表面残余应力的基础上,进行了细节疲劳额定强度截止值(DFR_(cutoff))试验,并利用ABAQUS有限元仿真分析其表层残余应力分布。试验结果表明:复合强化TC4钛合金的表面残余压应力和DFR_(cutoff)最大,相比于未强化状态分别提高了189.1%和62.3%。仿真结果表明:表面处理会在试样表面形成残余压应力,激光冲击与喷丸复合强化状态试样的表面残余压应力最大,喷丸强化试样的次之,激光冲击强化试样的最小;激光冲击与喷丸复合强化试样中的残余压应力层最深,激光冲击强化试样的次之,喷丸强化试样的最浅。结合试验结果与有限元分析可知,TC4钛合金的DFR_(cutoff)与表面残余压应力和残余压应力层深度呈正相关。     

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。     

不同冲击次数下激光冲击对TC11钛合金的影响研究

利用激光冲击强化技术对TC11钛合金进行处理,通过电子透射显微镜、残余应力测试仪和显微硬度计分别分析了TC11钛合金激光冲击前后微观组织、残余应力和显微硬度的影响.实验结果表明:表面微观组织在不同冲击次数下呈现出位错密度-位错胞-纳米晶的细化过程,且纳米晶随着冲击次数增加而变得更加细小、均匀;材料表面产生了-540 MPa以上的残余压应力,且显微硬度也得到显著提高,幅度达到20％左右,不同次数下硬度影响深度由600 μm增至1200 μm.     

激光冲击强化钛合金熔覆修复试件疲劳性能研究

激光成形修复钛合金构件存在修复区晶粒粗大和残余拉应力,以及不同区域间组织及性能不均匀的问题,导致修复构件的疲劳性能明显降低。本文采用激光冲击强化技术,对激光熔覆修复试件进行了表面强化,研究了激光冲击对其疲劳强度的影响,并从残余应力和微观组织等方面分析了激光冲击提高熔覆试件疲劳强度的原因。结果表明,钛合金基体试件的疲劳强度为401 MPa,激光熔覆试件的疲劳强度为365 MPa,下降了9%;激光冲击强化后,熔覆试件的疲劳强度达到了450.80 MPa,相比基体提高了23.5%。激光冲击强化在试件表层引入了数百兆帕的残余压应力,影响层深度可达430μm,同时可使修复区的组织和性能变得均匀,从而提高了修复试件的疲劳抗力。     

增材制造TC4钛合金在激光抛光前后的电化学腐蚀性能

对表面已进行喷砂处理的增材制造TC4钛合金在氩气环境下进行激光抛光实验,通过极化曲线测试研究了抛光前、后钛合金的耐蚀性,并结合表面粗糙度、晶粒尺寸、表面残余应力以及显微组织分析了激光抛光对TC4钛合金耐蚀性的影响。研究结果表明:抛光钛合金的自腐蚀电位与自腐蚀电流密度均大于未抛光钛合金,说明抛光钛合金相比于原始钛合金的被腐蚀倾向更小,但其一旦受到腐蚀,腐蚀速率会略大于原始钛合金。自腐蚀电位的升高源于钛合金表面粗糙度的降低,自腐蚀电流密度的增大则是因为表面晶粒的细化以及残余拉应力的存在。     

激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

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。     

TC4钛合金激光搭接冲击强化的实验和数值模拟

为了研究激光搭接冲击时残余应力场的特征以及激光冲击参量对搭接区残余应力场的影响,采用高功率钕玻璃激光系统对TC4板进行了激光搭接冲击实验,同时利用有限元软件ANSYS对激光搭接冲击过程进行了模拟,残余应力场的数值模拟结果与实验结果取得较好的一致。结果表明,在不考虑各冲击参量之间交互作用的前提下,搭接区表面残余压应力值和残余压应力场深度随搭接率增加而增加,但达到一定阈值后,残压应力场深度会下降;搭接区表面残余压应力值和残余应力场深度会随着功率密度的上升而增加;在脉宽小于一定阈值条件下,搭接区表面残余压应力随脉宽增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力减小,但残余压应力层深度一直是随着脉宽的增加而增加。     

材料表面形貌对激光冲击强化残余应力的影响

建立材料表面为凹面、凸面和平面的三种有限元模型,研究材料表面形貌对激光冲击强化Ti6Al4V钛合金残余应力的影响。当材料表面曲率半径大于光斑半径时,相对于材料表面为平面的工况,凹面表层产生的残余压应力偏大,并随着凹面曲率半径的减小而增大;凸面表层产生的残余压应力偏小,并随着凸面曲率半径的减小而减小。当材料表面曲率半径小于光斑半径时,凹面或凸面模型的激光冲击强化的残余压应力均不及于材料表面为平面的工况。     

航空铝合金材料激光冲击强化实验研究

用自行研制的激光冲击强化处理装置对70 5 0航空铝合金两种状态的材料T745 1,T745 2进行了冲击强化试验,对试件进行了表面压应力测试和结构分析,结果显示,试件表面具有较大的残余压应力,材料内部有较高的位错密度。并进行了疲劳强度测试,测试结果的S N曲线表明,在中等的加载强度下,试件的疲劳强度提高到2倍以上。     

中高温条件下激光冲击处理Ti-6Al-4V表面完整性变化

为了研究中高温条件下激光冲击处理对Ti-6Al-4V钛合金的表面完整性的影响,采用高功率、短脉冲Nd:YAG激光器对Ti-6Al-4V钛合金表面进行激光冲击,并将冲击后的钛合金试样分别置于400℃,500℃,550℃和600℃的温度下进行保温处理。从表面形貌、表面粗糙度、表面残余应力等方面分析了中高温条件下激光冲击处理对Ti-6Al-4V钛合金的表面完整性的影响。结果表明,激光冲击处理增大了Ti-6Al-4V钛合金的表面粗糙度,且热处理温度越高,Ti-6Al-4V钛合金的表面粗糙度越大;激光冲击处理显著提高了Ti-6Al-4V钛合金材料的表面残余压应力,随着温度的升高,残余压应力值降低。研究结果对了解和掌握Ti-6Al-4V钛合金的使用性能是有帮助的。     

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。     

激光熔化沉积TC17钛合金光纤激光焊接特性

利用光纤激光对激光熔化沉积TC17钛合金与锻造TC17钛合金薄板进行了激光热导熔化焊接,利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度计分析了接头的组织结构及显微硬度分布。结果表明,TC17钛合金激光熔化沉积件及锻件薄壁板状试样激光焊接接头凝固组织为沿未熔母材外延定向生长的细小树枝晶组织。锻造钛合金焊缝热影响区(HAZ)大且热影响区β晶粒发生了严重的长大现象,而激光熔化沉积钛合金焊缝热影响区小且热影响区β晶粒尺寸几乎无明显变化,表现出优异的焊接热稳定性。无论锻造钛合金还是激光熔化沉积钛合金,其焊缝区显微硬度高于母材,热影响区显微硬度低于母材。     

纳秒脉冲激光诱导冲击波作用下TC17钛合金高应变率本构模型参数辨识

基于Johnson-Cook(J-C)本构模型,提出了基于有限元模型和修正Levenberg-Marquard(L-M)算法的参数辨识方法。对TC17材料进行不同参数、不同工艺的激光冲击,得到了高应变率条件下的残余应力场分布;利用霍普金森压杆得到了中应变率条件下TC17材料的动态响应曲线;将上述两个测试结果作为辨识目标。引入低应变率条件下材料的响应曲线作为约束条件,辨识得到了TC17钛合金高应变率条件下的J-C本构模型参数。实验和计算结果对比验证表明,辨识得到的参数能比较准确地描述TC17钛合金材料高应变率条件下的动态响应规律,并预测激光冲击条件下材料的残余应力场分布。     

激光冲击强化对Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo钛合金组织与性能的影响

激光冲击强化(Laser shock peening, LSP)是一种新颖的非弹丸撞击式表面改性技术。利用LSP对片层组织Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(Ti80)钛合金进行表面处理,并研究了LSP对其微观组织、力学性能及耐腐蚀性能的影响。LSP处理后Ti80钛合金发生了严重的塑性变形,表层片层组织中形成了位错缠结、形变孪晶及层错等晶体亚结构缺陷,晶粒发生细化。LSP处理后表层显微硬度提高了21.7%,残余压应力达到最大值(-334 MPa),且显微硬度和残余压应力都随深度的增加呈现梯度变化特征。LSP处理后产生的加工硬化、细晶强化和残余压应力的作用改善了拉伸性能,断口形貌中的韧窝变得大而深且解理面变少。晶粒细化为钝化膜的形成提供更多的形核位置,同时杂质不容易在晶界偏析,延缓晶间腐蚀;高密度位错阻碍电子转移,降低腐蚀电流密度,使Ti80钛合金在5 mol/L HCL溶液中的耐腐蚀性能得到明显提高。