表面喷丸强化处理对TC11钛合金疲劳性能的影响

目的改善TC11钛合金的抗疲劳性能。方法采用喷丸表面强化工艺对TC11钛合金进行了表面强化处理,研究了喷丸强化处理、喷丸+二次喷丸强化处理对TC11钛合金试样表面粗糙度、残余应力、显微组织及疲劳性能的影响。结果喷丸处理能够在试样表层引入厚度约230?m的残余压应力场,但同时导致试样表面粗糙度值增加。喷丸后进行表面二次喷丸,试样表面残余压应力值和残余压应力峰值提高,但残余压应力峰值的位置和残余压应力层的厚度变化不大。二次喷丸对试样表面起到一定程度的修复作用,使试样表面粗糙度值降低。喷丸后试样表层组织发生明显的塑性变形,晶粒变细,而喷丸+二次喷丸处理可使试样表层组织得到进一步细化。喷丸处理后,试样的疲劳强度由480 MPa提高至540 MPa,提高了12.5%,二次喷丸使试样的疲劳强度提高至570 MPa,在喷丸的基础上继续提高了5.5%。结论喷丸后对试样表面进行二次喷丸对表层残余应力场的影响不大,二次喷丸主要通过降低试样表面粗糙度值和细化试样表层组织,使试样的疲劳强度得到进一步提高。     

Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮不同喷丸处理后的齿根表层应力分布

对模数20 mm的18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮经不同喷丸处理后的齿根表层应力分布进行测试,并与未喷丸时进行了对比。结果表明,在喷丸前后18CrNiMo7-6钢渗碳淬火齿轮齿根最表层均为压应力状态,从表至里均呈先升高后降低的变化趋势。未喷丸时最表层残余应力约为-75 MPa,最大残余应力出现在次表层110~120 μm处,约为-250 MPa;喷丸处理可使齿根表层残余压应力提高4~5倍,最表层残余应力在-350 MPa左右,最大残余应力出现在次表层90～110 μm处,为-900~-1000 MPa。     

喷丸处理的锆合金残余应力场分布规律

目的通过不同的喷丸处理工艺,探索适用于锆合金包壳管的喷丸处理参数。方法对锆合金包壳管采取9种不同的喷丸处理工艺且编号(1—9号),采用XRD残余应力检测技术,对处理后的包壳管试样分别进行轴向和切向的残余应力场测定。结果未喷丸处理的试样表面轴向、切向残余应力分别为-277 MPa和-250 MPa,最大应力在最外表层。喷丸处理试样表面轴向残余压应力比未喷丸处理的大,只有9号工艺对应的表面轴向残余应力比未喷丸的小,这很有可能是因为喷丸强度过大,在表面形成了微裂纹,残余应力得以释放,所以锆合金包壳管的喷丸强度不宜超过0.40 mm A。对于强度较高的5—9号喷丸工艺,喷丸强度达到0.15 mm A以上,包壳管压应力影响层的厚度均超过460μm,几乎达到了喷丸处理后包壳管的整个壁厚。在相同喷丸强度和相同弹丸直径条件下,玻璃丸的表面压应力和最大压应力与不锈钢丸的相近,不锈钢丸处理的压应力影响层比玻璃丸处理的压应力影响层厚约80μm。结论在相同喷丸强度和相同弹丸材料下,改变弹丸直径对锆合金两个方向上的表面残余应力和最大残余应力的大小影响不大;直径较小的弹丸对应轴向最大残余应力的位置更深,直径较大的弹丸对应切向最大残余应力的位置更深。随着锆合金喷丸强度的增加(没有出现过喷),表面两个方向上的残余应力都增加,两个方向上的最大残余应力也有所增加。     

喷丸结合振动光整加工工艺对钛合金疲劳性能的影响

目的提高钛合金的疲劳性能。方法采用喷丸结合振动光整加工工艺对TC4钛合金进行了表面加工处理。对未加工试样、经过喷丸处理后的试样和经过喷丸与振动光整加工工艺处理后的试样,分别进行了表面粗糙度、表面层残余应力测试,并对三种状态下的试样进行了旋转弯曲疲劳试验。对比了不同工艺处理后试样的表面粗糙度、表层残余应力及疲劳强度。结果与喷丸工艺相比,采用喷丸结合振动光整加工工艺对试样进行处理后,试样的表面残余压应力值提高了39 MPa,残余压应力峰值、残余压应力层的厚度略有降低。喷丸结合振动光整加工工艺在不明显改变试样残余压应力场的条件下,使试样的表面粗糙度得到大幅降低。疲劳试验结果表明,喷丸工艺使TC4钛合金的疲劳强度提高了16.3%,喷丸结合振动光整加工工艺使TC4的疲劳强度提高了23.8%,比喷丸后TC4钛合金的疲劳强度高出7.5%。结论在喷丸工艺的基础上,喷丸结合振动光整加工工艺通过改善TC4钛合金的表面完整性,使TC4钛合金的疲劳强度得到进一步提高。     

DZ125定向凝固合金的喷丸工艺

针对DZ125合金开展铸钢丸喷丸强化研究,分析了多种喷丸强度、覆盖率条件下合金700℃旋弯疲劳性能、表面残余应力和硬度梯度.结果表明:随喷丸强度的增大,中值疲劳寿命估计量逐渐增大,高喷丸强度时,700℃/500 MPa中值疲劳寿命估计量是原始试样的2倍;随表面覆盖率的增大,中值疲劳寿命估计量呈现先增大后稳定的趋势,当覆...     

航空发动机钛合金叶片喷丸强化残余应力研究

目的 研究航空发动机钛合金叶片残余应力场,掌握叶片喷丸后和使用后的残余应力分布规律,为评估叶片的安全性和可靠性提供依据,为预测叶片剩余寿命提供数据支持.方法 利用X射线衍射技术测试并研究航空发动机钛合金风扇叶片和压气机叶片喷丸后表面残余应力场、喷丸后残余应力沿层深的分布规律和使用后的残余应力衰减规律.结果 喷丸后风扇叶片残余应力的90%分布在-600~-800 MPa,其残余应力均值为-682 MPa;压气机叶片残余应力的90%分布在-500~-700 MPa,其残余应力均值为-603 MPa.喷丸后风扇叶片和压气机叶片的表面残余应力约为-610 MPa,在次表面层11μm和13μm处存在一个最大残余压应力,分别为-739 MPa和-683 MPa,随后残余压应力随着深度的增加而逐渐减小.风扇叶片使用300 h后应力分布在-460~-720 MPa,使用600 h后应力分布在-430~-700 MPa;压气机叶片使用300 h后应力分布在-470~-670 MPa,使用600 h后应力分布在-360~-620 MPa.结论 喷丸后钛合金叶片表面存在较大的残余压应力且分布较为均匀;喷丸后钛合金叶片残余压应力随层深的增加先增大后减小,残余应力场深度约为50μm;使用后的钛合金叶片残余应力有衰减趋势,而且随着使用时间的增加,残余压应力衰减量逐渐增加.     

喷丸压力对GH3535合金表面状态及疲劳性能的影响研究

分别采用0.3MPa、0.45MPa和0.6MPa喷丸压力对GH3535高温合金表面进行喷丸。利用扫描电子显微镜（SEM）观察合金表面形貌、强化层组织结构,通过金相显微镜（OM）、维氏硬度计、X射线应力分析仪分析表层晶粒度、表层显微硬度、表层残余应力分布及X射线衍射峰半高宽。在室温条件下进行高周疲劳实验,并通过扫描电子显微镜（SEM）观察分析断口形貌特征。结果表明:GH3535合金喷丸后表层形成了晶粒细化层、硬化层和残余压应力层。且合金表面产生的晶粒细化层厚度、硬化层厚度以及残余压应力层厚度均随着喷丸压力的增加而提高。喷丸压力在0.3MPa～0.6MPa范围内,疲劳寿命受喷丸压力的影响较为敏感,且疲劳寿命随着喷丸压力的增加而提高。当喷丸压力为0.6MPa时,喷丸产生的效果最优,疲劳寿命提高了471.1%。喷丸后GH3535合金疲劳寿命的提高得益于合金表面状态的改善。     

喷丸对23Co14Ni12Cr3Mo超高强度钢 表面性能的影响

针对23Co14Ni12Cr3Mo超高强度钢材料，研究喷丸强化对其表面性能的影响。采用扫描电镜、白光干涉仪等设备，分析喷丸强化对试样表面形貌、粗糙度、硬度、残余应力、元素含量等的影响。结果表明:喷丸强化后，试样表面留有大量弹坑，产生明显塑性变形；表面粗糙度增大，算术平均粗糙度为1.33 μm；硬度显著增大，最表层硬度由喷丸前的HV 476增加至HV 497，硬化层深度约150 μm；试样表层的残余压应力值由375 MPa增加至475 MPa，最大残余压应力值约518 MPa，位于距表面50 μm深度处，喷丸形成的残余压应力层深度约为134 μm；喷丸后试样中C、Si、Cr等各元素的质量分数均略有增加。喷丸在一定程度上改善了23Co14Ni12Cr3Mo钢材料的表面性能，有利于提高其疲劳抗力和耐腐蚀性。     

Ti-6Al-4V合金的陶瓷湿喷丸表面强化工艺

采用新型陶瓷湿喷丸强化工艺对 Ti-6Al-4V 合金进行表面处理,研究不同喷丸强度对 Ti-6Al-4V 合金微观组织、形貌及残余应力的影响,并通过拉-拉疲劳试验验证陶瓷湿喷丸的强化效果,分析喷丸前后的断裂机理。结果表明：湿喷丸后的表面粗糙度较干喷丸的低,表面粗糙度、残余应力和应力场深度均随着喷丸强度的增加而增加,最大残余应力达-895 MPa,压应力层深度约为250μm;拉-拉疲劳极限比初始的提高了12.4%。微观组织分析表明,喷丸处理后合金的表层位错密度显著增大,晶粒细化,表面形成超细晶。     

Abrasive waterjet peening with elastic prestress: A parametric evaluation

Abrasive waterjet peening (AWJP) has emerged as a potentially viable method of surface treatment for metal orthopedic devices. In this study the influences of AWJP with elastic prestress on the surface and subsurface residual stress distributions and surface texture of spring steel (ASTM 228) as well as titanium (Ti6Al4V) and nickel (inconel 718) alloys were studied. A design of experiments (DOE) and an analysis of variance (ANOVA) were used to identify the parameters with primary contributions to the dependent variables. Surface residual stress resulting from AWJP ranged from 500 to 2500 MPa, and the depth of compressive residual stress ranged from nearly 80 to 600 μm. While the elastic prestress had no effect on the surface texture, it was a primary contributor to the magnitude of surface residual stress, which increased with an increase in the elastic prestress. According to the results of this study, AWJP with elastic prestress can serve as a viable method of surface treatment in situations that require an increase in surface roughness and a compressive residual stress.     

Mechanical properties of strengthened surface layer in Ti–6Al–4V alloy induced by wet peening treatment

A modified surface layer was formed on Ti–6Al–4V alloy by wet peening treatment. The variations of the residual stress, nano-hardness and microstructure of the modified layer with depth from surface were studied using X-ray diffraction analysis, nano-indentation analysis, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy observations. The results show that both the compressive residual stress and hardness decrease with increasing depth, and the termination depths are 160 and 80 μm, respectively. The microstructure observation indicates that within 80 μm, the compressive residual stress and the hardness are enhanced by the co-action of the grain refinement strengthening and dislocation strengthening. Within 80–160 μm, the compressive residual stress mainly derives from the dislocation strengthening. The strengthened layer in Ti–6Al–4V alloy after wet peening treatment was quantitatively analyzed by a revised equation with respect to a relation between hardness and yield strength.     

水射流喷丸对渗碳钢表层组织与裂纹扩展性能的影响

对低碳钢渗碳淬火试样进行表面水喷丸处理,研究水喷丸对渗层表面组织结构及其疲劳裂纹扩展速率的影响。结果表明:添加细玻璃丸的水喷丸处理能显著细化表层亚结构,提高小角度晶界密度,并为渗层带来有效的残余压应力。在300 MPa水压及600 mm/min扫描速率工艺下,可实现100 μm左右深度,最高达1244 MPa的残余压应力,其表面粗糙度R_a=0.195 μm。疲劳裂纹速率试验结果显示,经过水喷丸处理后裂纹扩展速率da/dN有增加的趋势,这主要是因为表面压应力形成,增加了心部拉应力,且表层的变形强化降低了裂纹尖端塑性区。     

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。     

超声冲击处理对灰铸铁焊接冷裂纹影响

采用HT150,以焊接冷裂纹三要素中的拘束应力和淬硬组织因素为研究方向,用评定铸铁冷裂纹敏感性的直Y形坡口焊接裂纹试验法,研究了超声冲击处理对焊接冷裂纹的影响.结果表明,焊后通过对焊缝进行全覆盖超声冲击,一方面可以大幅度改善焊接结构的残余应力,经超声冲击处理后的试样焊缝测量点的残余应力R1分别为-53,-57MPa,R2分别为-37,-80MPa;另一方面可以加速焊缝石墨球化过程,消除半熔化区白口组织.因此焊后合理的超声冲击处理能够从拘束应力和淬硬组织两方面抑制焊接结构冷裂纹的产生.     

Microstructural changes in weld metal during isothermal process. Study of reheat cracking in flux‐cored arc welding stainless steel weld metal (5th report)

The soiling of the slag, spatter and the fume, etc., which come into contact with the steel sheet surface with welding, is cleaned making use of steel sphere shot material of large particle diameter, high projection pressure with strong peening processing (below, called strong peening cleaning). In this research, the cleaning state of the soiling with welding and improvement of fatigue strength of the hot galvanized welded joint was inspected, when the surface of a SM490A welded joint was cleaned with strong peening cleaning.

The following experimental results were obtained:

1. The fatigue limit of smooth base metal which received strong peening cleaning at about 320 MPa was remarkably high in comparison with smooth base metal at about 245 MPa.

2. The fatigue limit of a welded joint which received strong peening cleaning at about 300 MPa was remarkably high in comparison with a welded joint at about 170 MPa.

3. The strong peening cleaning was highly efficient and the cleaning state was satisfactory.

4. The cause of the remarkable rise of the fatigue limit (300 MPa) of the welded joint which received strong peening cleaning was because the fatigue limit (about 170 MPa, 57%) of the welded joint was improved (about 130 MPa, 43%) with peening cleaning. It was considered that improvement effects were: a rise (about 68 MPa, 23%) of hardness of the weld toe; relief (about 43 MPa, 14%) of stress concentration; increase (about 136 MPa, 45%) of compressive residual stress; and the decrease (about ? 96 MPa, ? 32%) by increase of surface roughness.

5. The fatigue strength of the hot galvanized welded joint decreased remarkably. This was thought to be due to the decrease (about HV40) of hardness of the surface, the decrease (about 188 MPa) of the compressive residual stress and the influence of many factors which accompanied hot galvanizing.

     

微粒轰击Fe基非晶电弧喷涂层性能强化

为了减小热喷涂层残余应力对涂层质量的不利影响,采用喷丸(砂)微粒轰击与高速电弧喷涂相互循环交替的工艺制备了Fe基非晶涂层,使涂层残余拉应力变为残余压应力,喷丸(砂)强化涂层表面残余应力由未处理涂层表面残余拉应力277 MPa分别变为残余压应力-177 MPa(-91 MPa)。利用电子扫描显微镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机等分别对涂层的微观形貌、力学性能和摩擦磨损性能进行了测试。结果表明:经过微粒轰击后的涂层表面致密平整,组织结构密实,喷丸(砂)强化涂层的孔隙率仅为1.0%(1.5%),结合强度可达44.6 MPa(56.4 MPa),经过微粒轰击后涂层硬度、弹性模量及摩擦磨损性能都有所提升。喷丸强化涂层局部过度的轰击会使涂层结合强度及摩擦磨损性能略有下降。     

等离子渗氮与喷丸强化复合改进钛合金抗微动损伤性能

利用直流脉冲等离子电源装置对Ti6A14V钛合金表面渗氮处理,研究了渗氮层的相组成、硬度分布、韧度及摩擦学性能,采用喷丸形变强化(SP)对渗氮层进行后处理,以达到联合提高钛合金微动疲劳(FF)抗力的目的.研究结果表明:脉冲电源等离子技术可在钛合金表面获得由TiN、Ti2N、Ti2A1N等相组成的渗氮层,该改性层能够显著地提高钛合金常规磨损和微动磨损(FW)抗力,但降低了基材的FF抗力.渗氮层的减摩和抗磨性能与SP引入的表面残余压应力协同作用,使钛合金FF抗力超过了SP单独作用.提高渗氮层韧度对改善钛合金FF和FW性能均十分重要.     

喷丸表面覆盖率对Ti60高温钛合金疲劳性能的影响

采用新型的陶瓷弹丸,对Ti60钛合金进行相同喷丸强度和不同表面覆盖率(100%,200%,400%)的喷丸强化,研究了喷丸前后的表面形貌、表面粗糙度、残余应力场、X射线衍射峰半高宽等表面完整性特征参数以及其对高温疲劳寿命的影响。结果表明,喷丸覆盖率对表面完整性具有重大影响,因此不同覆盖率喷丸Ti60钛合金试样具有显著差异的疲劳寿命。采用200%覆盖率喷丸,可以使钛合金Ti60保持较小的表面粗糙度(Ra=1.2μm),较大的尖端圆角曲率半径(相对磨削加工),较好的残余应力分布和稳定的强化层微观组织,这些较好的表面完整性状态使Ti60钛合金的高温旋转弯曲疲劳寿命提高了4倍左右;而采用其他表面覆盖率(100%,400%)喷丸时,Ti60钛合金的高温疲劳寿命提高了2倍左右。     

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。