小边距孔的压合衬套强化工艺研究

针对某型机研制中遇到钛合金耳片结构小边距孔的强化问题,以Forcemate压合衬套为强化方法,研究其对小边距孔的强化效果。结合有限元方法分析干涉量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%对孔周应力应变的影响,并将小边距孔与常规边距孔的应力结果进行对比。对强化后的耳片施加循环外载,获得干涉量与疲劳寿命之间的关系,最终为最佳工艺参数的选取提供理论依据。     

TC4板孔冷挤压强化残余应力分布与疲劳寿命

开展了不同挤压量下TC4钛合金板孔冷挤压强化有限元仿真研究,得到了挤压强化后最小截面的切向残余应力分布规律,分析了挤压量对受载试样孔边应力分布的影响,探讨了挤压量、残余应力和疲劳增益三者之间的内在关系。采用开缝衬套冷挤压强化工艺对TC4带孔板件进行冷挤压和疲劳验证试验。研究结果表明,挤压强化后的孔边切向压缩残余应力可以有效降低孔周应力集中程度,优化受拉试样最小截面应力分布,改变裂纹源的位置并延长疲劳裂纹的萌生和扩展寿命,有效提高试样疲劳寿命。综合仿真和疲劳试验得到TC4板孔最优挤压量为4%。     

TA15钛合金连接孔滚柱挤压强化参数对残余应力及疲劳寿命的影响

滚柱挤压强化是重要的表面处理方法,能够在材料内部形成稳定的残余应力,进而有效提高结构的疲劳性能.针对TA15钛合金开孔结构,滚柱挤压强化参数对残余应力及疲劳寿命的影响规律有待进一步研究.基于Johnson-Cook方程建立了TA15滚柱挤压过程仿真模型,揭示了不同挤压量和摩擦因数下,残余应力的产生、扩展及影响范围,探讨了挤压后孔壁材料在周向及轴向的变形规律;开展了TA15开孔结构疲劳寿命试验,对比研究了挤压强化后疲劳寿命的增益效果.     

高干涉量压合衬套强化铝合金孔结构的疲劳性能

分别采用高干涉量压合衬套单侧挤压强化和两侧挤压强化两种工艺对7050铝合金孔结构进行强化,研究孔结构的残余应力和疲劳性能,并采用梯形累积法由疲劳断口定量反推出疲劳裂纹萌生寿命和扩展寿命。结果表明:孔结构中形成深度达12mm的残余压应力场,单侧挤压强化试样挤入端的残余应力显著低于挤出端的,两侧挤压强化试样挤入端和挤出端的残余应力相当;单侧挤压强化试样和两侧挤压强化试样的平均疲劳寿命比未挤压强化试样的分别提高了770%和1 500%,高干涉量压合衬套强化技术具有显著的疲劳强化效果,且双侧挤压强化的效果更好;高干涉量压合衬套强化技术可同时提高孔结构的疲劳裂纹扩展寿命和萌生寿命,且萌生寿命提高的幅度更大。     

衬套冷挤压强化孔疲劳寿命研究

采用仿真分析方法对衬套挤压强化过程应力分布情况进行研究,对比芯棒拉力及强化后孔径实际值,分析仿真模型的准确性。基于强化后模型的应力情况对试验板进行名义应力法的疲劳寿命预测。对试验板进行疲劳试验得到两个孔位的疲劳寿命值,对断口位置进行分析。结果表明：衬套挤压强化后在孔周产生很高的周向残余应力区,可以有效缓解孔壁应力集中现象,提高孔的疲劳寿命。挤压强化后,孔的挤入端较挤出端更容易产生疲劳裂纹。疲劳寿命预测结果与试验结果有较好的一致性,能够为衬套结构设计进行尺寸合理性验证及疲劳寿命评估。     

孔挤压强化工艺对7A12铝合金组织及疲劳性能影响的研究

研究了孔挤压强化工艺对7A12铝合金锻件的疲劳增益效果,并通过透射电镜、扫描电镜及X 射线衍射仪等设备,研究了疲劳断口的形貌特征、微观组织变化以及孔壁表层的残余应力场分布。研究结果表明,挤压过盈量为5%时,孔挤压疲劳寿命增益效果最好,是未强化的13.5倍;孔挤压后,孔壁强化层内形成了深度＆gt;9 mm 的残余压应力层,强化层内形成的位错胞状结构可以有效延缓疲劳裂纹的扩展速率,从而提高材料的疲劳寿命。     

钛合金薄壁板干涉强化孔边距工艺研究

针对某型机关键部位研制过程中钛合金薄壁板干涉强化的孔边距工艺问题,在有限元软件Abaqus平台上建立了3D有限元模型,分析了在循环载荷作用下,材料为TC4钛合金带孔薄壁板件的孔边距对干涉强化试件应力分布影响以及疲劳寿命预测分析。研究表明:随着边距比减小,疲劳寿命呈现明显降低趋势,疲劳破坏位置逐渐向远离孔方向移动,当边距比小于2时,疲劳破坏在薄壁板边缘处发生。     

TC4开缝衬套冷挤压残余应力分布有限元仿真

开缝衬套冷挤压工艺在孔的周围产生残余压应力,广泛应用于航空结构件疲劳增寿。冷挤压后孔周围的残余应力分布对预测带孔试样的疲劳寿命至关重要。针对开缝衬套冷挤压工艺构造了二维有限元模型,研究了TC4钛合金孔冷挤压后的残余应力分布,并对比了不同相对挤压量下试样中间层上最大残余压应力值,得到了初孔半径为3.175mm的孔的最佳相对挤压量。     

表面微观形貌特征对二次挤压强化孔疲劳性能影响

建立了孔的二次挤压强化疲劳仿真模型,探究孔壁表面微观形貌特征对强化孔疲劳性能的影响。采用Abaqus有限元软件及MSC. Fatigue疲劳分析软件,对孔的二次挤压强化过程进行了模拟并计算了强化孔的疲劳寿命。选取孔壁微元,用半椭圆微观缺口代表零件表面微观轮廓,通过有效应力集中系数K_f修正材料S-N曲线,探究了表面微观轮廓对二次挤压强化孔疲劳性能的影响。结果表明,二次挤压强化后孔壁产生残余压应力层,试验件疲劳寿命得到提高;孔壁微观缺口数目增加可以有效缓解应力集中系数,应力集中系数K_t与深宽比b/a及间宽比d/(2a)成正相关;二次挤压强化可以降低孔壁表面粗糙度21%～49%,能有效缓解缺口应力集中现象,提高孔的疲劳性能。     

镍基高温合金深小孔的旋转冷挤压强化工艺优化

采用多级凸包硬质合金挤压工具对镍基高温合金平板中的深小孔进行旋转冷挤压及无旋转冷挤压(主轴转速为0)试验,研究了挤压率(2.4%,3.0%,3.6%)与主轴转速(0,66,200 r·min^-1)对孔壁表面完整性及试样疲劳寿命的影响,确定了旋转冷挤压优化工艺。结果表明：与无旋转冷挤压强化工艺相比,旋转冷挤压强化后孔壁表面微裂纹较少,随着主轴转速的增加,微裂纹增多,表面粗糙增大,且相同主轴转速下,挤压率越大,粗糙度越小,表面硬度越高,残余压应力和压应力层厚度越大。优化旋转冷挤压工艺参数为主轴转速66 r·min^-1、挤压率3.0%,该工艺下的孔壁表面微裂纹少,塑性变形层较厚(约30μm),表层硬度提升(硬度峰值为515 HV),表面粗糙度较低(R_a为0.298μm),沿深度方向形成了厚度约为450μm、应力峰值为498 MPa的周向残余压应力层;在优化工艺下孔强化后试样的疲劳寿命约为未强化试样的6.6倍,疲劳裂纹源由孔壁表面向内部偏移了约45μm。     

TC4钛合金螺旋铣孔工艺孔壁表面完整性研究

研究了螺旋铣孔工艺参数(主轴转速、每齿切向进给以及螺距)对TC4钛合金孔壁表面完整性的影响规律。通过开展TC4钛合金螺旋铣孔加工正交试验并利用粗糙度仪、显微硬度计、X射线应力仪、金相显微镜等测量分析了螺旋铣孔工艺对表面粗糙度、显微硬度分布、表面层残余应力分布以及显微组织变化的影响。结果表明:孔壁最大表面粗糙度Ra 0.431μm,能很好满足航天工业对制孔粗糙度的要求;适当孔壁硬化(硬化程度为129%~141%)提高了耐磨性;表面层残余应力均为压应力,有利于提高孔的疲劳性能;由于散热良好和机械载荷小,孔壁表层并没有出现"白层"现象;因此,螺旋铣孔工艺能大大改善钛合金制孔表面完整性。     

激光磨抛复合强化对15CrMnMoVA钢孔结构疲劳性能的影响研究

对15CrMnMoVA钢试件孔结构采用了坐标磨、数控磨抛和激光磨抛复合强化等不同工艺进行加工,分析其表面完整性特征,并对试件进行对称循环加速疲劳寿命试验。结果表明,试件孔结构的疲劳破坏机制为微动疲劳,增加孔的倒角尺寸会导致疲劳寿命降低;与传统的坐标磨工艺相比,数控磨抛工艺可以提高疲劳极限5%,而激光强化与数控磨抛复合工艺可以提高疲劳极限20%;激光强化能形成较深的残余压应力强化层,数控磨抛后残余压应力层仍然深达0.5 mm;数控磨抛可以提高孔的形状精度至0.009 mm,并进一步将孔壁抛光至镜面(表面粗糙度为Ra 0.018μm);激光磨抛复合强化工艺显著提高了孔结构的疲劳性能。     

喷丸对TC4钛合金残余压应力场及疲劳寿命的影响

研究了不同弹丸及喷丸参数对喷丸后TC4钛合金表面形貌、表面塑性变形程度、残余压应力场和疲劳寿命的影响。结果表明:与铸钢弹丸相比,陶瓷弹丸喷丸强化后TC4钛合金表面的起伏程度变化不大,但能有效地覆盖加工刀痕;随喷丸压力增大和喷丸时间延长,试样表面的累积塑性变形先快速增大后趋于饱和;当喷丸压力达到0.25 MPa、铸钢弹丸喷丸时间大于40 s或陶瓷弹丸喷丸时间大于80 s时,最大残余压应力可达到610 MPa,残余压应力场深度超过250μm;两种弹丸喷丸强化后,TC4钛合金的疲劳寿命分别可提高10倍和20倍以上。     

复杂载荷作用下压气机叶片疲劳寿命数值分析

为提高叶片服役寿命,在计算叶片应力分布并预测其在复杂载荷作用下的疲劳寿命后,基于逆向工程建立了三种不同精度的叶片模型;考虑离心和气动载荷作用,求解压气机叶片复合载荷作用下的应力分布规律;通过叶片模拟件疲劳试验,确定TC4钛合金疲劳极限,拟合寿命模型参数;利用非线性连续损伤力学模型预测叶片在典型工况下的疲劳寿命。结果表明：不同模型的应力及寿命计算值存在一定差异,开展叶片数值分析时,需考虑计算模型还原叶片几何特征的精度对计算结果的影响。     

7050-T7451干涉螺接双剪接头疲劳寿命与失效模式研究

针对不同干涉量的7050-T7451双剪接头,进行疲劳试验,对比分析了不同干涉量接头的疲劳寿命。通过扫描电镜(SEM)方法,研究了干涉接头疲劳断口形貌特征。研究结果表明:采用干涉量0.08 mm~0.14 mm对7050-T7451板材双剪接头进行干涉安装,可取得较好的疲劳强化效果,并且在0.11 mm干涉量下,疲劳寿命增益最显著。7050-T7451双剪接头试样疲劳断口呈现混合型穿晶疲劳断裂特征,材料具备一定韧性。干涉螺接对孔壁有强化作用,干涉螺接的试片裂纹源于结构表面,而不源于孔壁,结构表面的改进将有利于疲劳寿命的提高。     

不同结构参数对7075铝合金耳片疲劳裂纹扩展寿命的影响

为探索不同结构参数对飞机耳片疲劳裂纹扩展寿命的影响,采用数值模拟与试验相结合的方法,分别对不同结构参数7075铝合金耳片试样进行疲劳试验,基于Abaqus软件建立了不同结构耳片的三维应力强度因子计算模型,并将有限元解和实验结果、解析值比较验证了该模型的准确性.最后,通过Paris公式和断裂力学方法计算比较了各结构参数耳片的裂纹扩展寿命.研究结果表明,在相同应力下,随着锥度角的增大,耳片疲劳裂纹扩展寿命迅速增加,而底部倒角对其几乎不产生影响.     

孔挤压强化和工艺参数研究

孔挤压强化可以显著提高机械连接的疲劳强度。采用有限元方法建立了孔挤压强化轴对称模型,得到了孔壁残余应力分布状态,建立了孔壁残余应力和孔径、板件厚度、挤压强化过盈量等工艺参数之间的关系曲线。结果表明,周向残余应力和孔径、挤压强化过盈量之间为对数关系,和板件厚度之间为线性关系;径向残余应力和孔径、挤压强化过盈量之间为对数关系,和板厚(以2.5mm为分界线)之间为线性关系,为孔挤压强化效果的定量化认识奠定了基础。     

多次激光喷丸作用下TC4钛合金的疲劳性能及微裂纹扩展预测模型

对TC4钛合金板进行不同次数激光喷丸处理,再进行高周疲劳试验,研究了其疲劳性能及断裂机理;基于残余压应力及晶界介微观尺寸对微裂纹扩展的阻滞作用,采用抑制参数、张开应力强度因子、残余应力强度因子对Paris公式进行修正,建立了激光喷丸处理后疲劳微裂纹扩展预测模型,并进行了试验验证.结果表明:随着喷丸次数增加,TC4钛合金的疲劳强度增大,疲劳寿命延长,断裂方式由脆性断裂向韧性断裂转变;疲劳微裂纹预测模型预测得到的疲劳寿命与试验值的相对误差小于10％,说明模型准确.     

激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头疲劳性能的影响

对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头进行激光冲击强化,对比强化前后焊接接头的疲劳寿命,在光学显微镜和扫描电镜下观察断口疲劳断裂特征,并从焊接接头的显微硬度、微观组织、残余应力分布等方面综合分析激光冲击强化对TC4钛合金单面修饰激光焊接接头的强化机理。试验结果表明：未强化和强化试样均在焊缝咬边处萌生疲劳裂纹,强化试样疲劳寿命是未强化试样疲劳寿命的3.77~9.15倍,强化试样焊缝咬边处马氏体细化,显微硬度提高,焊缝表面呈残余压应力分布,焊缝咬边处残余压应力达-564.37±9.85MPa。晶粒细化和高幅值残余压应力综合作用下抑制了焊缝咬边处疲劳裂纹的萌生,且增大了裂纹扩展阻力,从而提高了焊接接头疲劳性能。     

某超高强度钢零件小孔挤压强化工艺研究

起落架与机体同寿命是现代高寿命飞机的普遍要求。对于起落架主要承力件,除优化设计外,在选材上应选用300M、A100超高强度钢及钛合金等高强度、高韧度材料,并采用先进的表面强化技术及先进工艺等。小孔挤压强化技术是通过在孔周围施加一定的残余应力,从而显著地提高带孔零件的疲劳寿命。通过对超高强度钢零件薄壁上小孔内表面进行挤压强化工艺的研究,针对超高强度钢小孔孔壁挤压强化的工艺方法,找到了合理的挤压参数,并应用于产品的加工。