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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

激光冲击强化对K417材料振动疲劳性能的影响

为研究激光冲击强化(LSP)对镍基高温合金振动疲劳强度的影响,使用流水约束层和铝箔涂层,利用波长为532 nm,脉宽为10 ns,能量为1.5 J,冲击光斑尺寸为1.6 mm的YAG激光器对K417试件进行了激光冲击强化处理.使用升降法测试比较了冲击处理试件和未处理试件的振动疲劳强度.结果表明,试件经激光冲击强化后振动疲劳强度由106.5 MPa提高到285.5 MPa,疲劳性能大大提高.对激光冲击强化后的试件断口分析结果表明激光冲击的强化作用抑制了裂纹在试件表层的萌生和扩展,从而提高了材料的振动疲劳强度.     

不同典型结构激光冲击强化的疲劳差异性研究

激光冲击强化不同典型结构对各结构疲劳寿命的影响均有所差异,本文基于ABAQUS模拟典型结构小孔2.6、圆角R3和圆棒(小径20)的激光冲击强化过程,并提取出各路径的残余应力分布(峰值压力分别为4、5、6、8 GPa),同时对各典型结构TC4-DT钛合金双联试样进行激光冲击与疲劳拉伸试验。结果表明:在应力水平385 MPa、应力比R=0.1下,经激光冲击的圆角与小孔的疲劳增益均较大,且圆角最大疲劳增益为238.4 %(功率密度为12.75 GW/cm2),小孔疲劳增益为243.3 %(功率密度为22.67 GW/cm2)。圆棒结构在应力水平600 MPa下的疲劳负增益均较大(功率密度22.67 GW/cm2时的疲劳增益减小至-94.1 %)。经激光冲击强化的圆角根部、圆角边缘处及小孔孔角残留较大的残余压应力,使该典型构件的应力集中处的疲劳寿命得到显著提升,但圆棒内部残留的残余拉应力使其在拉伸载荷下极易出现疲劳裂纹。对于圆棒等旋转体而言,激光冲击虽然提高了表面疲劳性能,但在拉伸载荷下容易疲劳断裂。该研究对各典型结构的激光冲击强化具有指导意义。     

激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响

为了研究激光冲击强化对TC17钛合金高周疲劳性能的影响,对TC17钛合金进行激光冲击强化处理,并对处理前后的试样进行了高频疲劳试验,对疲劳断口和形貌用扫描电镜和透射电镜进行了观察。7J能量激光冲击2次后,材料在300MPa下的疲劳寿命相比未处理的材料提高了近2倍;相比于母材试样,强化试样的裂纹源位于次表层深处,扩展区的疲劳条带排列更加紧密。结果表明,激光冲击强化后,试样表面强化区域产生高密度位错和位错缠结。这些缺陷能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,进而改善TC17钛合金的高周疲劳性能。     

AZ80-T6挤压镁合金激光冲击温强化和低周疲劳行为

为了研究激光冲击对AZ80-T6挤压镁合金低周疲劳性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光器对疲劳试样进行激光冲击强化(LSP)和激光冲击温强化(WLSP)处理,并进行拉-拉疲劳实验。结果表明:LSP和300℃时WLSP处理后镁合金表面产生的残余压应力分别为-125 MPa和-158 MPa,而其疲劳寿命分别比原始试样提高11.42%和75.74%。WLSP明显地延迟裂纹萌生时间,提高AZ80-T6镁合金的疲劳寿命。另外对激光冲击诱导的镁合金微观结构及其低周疲劳行为进行了分析和讨论。     

AZ91D-T6铸造镁合金激光冲击强化和高周疲劳性能研究

为了研究激光冲击对AZ91D-T6铸造镁合金高周疲劳性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光器(波长1064nm,脉冲宽度20ns),对中心缺口试样进行激光冲击强化(LSP)处理,并进行了拉-拉疲劳试验,分析了表面形貌、表面显微硬度、微观组织、疲劳断口特征和残余应力分布,结果表明:以1.5GW/cm2功率密度和光斑50%搭接的激光冲击强化后,中心缺口疲劳试样上下表面形成高残余压应力,显微硬度提高24%左右,晶粒明显细化,冲击试样循环周次比未冲击的提高33.7%,疲劳断口呈解理断裂特征,主要表现为大量解理台阶和河流花样,β-Mg17Al12相的存在改变了疲劳裂纹扩展路径。激光冲击延迟了裂纹萌生时间,提高了AZ91D-T6铸造镁合金的疲劳寿命。     

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。     

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。     

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。     

无保护层激光冲击对K24镍基合金力学性能的影响

激光冲击强化是一种有效提高材料疲劳强度的表面处理技术。针对K24镍基高温合金模拟叶片特点,文中提出采用无保护层激光冲击强化进行表面处理。同时采用X射线衍射、显微硬度计表征了不同参数冲击下材料截面残余应力和显微硬度变化规律,并利用高周振动疲劳试验验证其强化效果。结果表明:无保护层激光冲击强化处理后在材料表层形成一定数值的残余压应力,冲击1、3、5次后表面残余应力分别为-428、-595、-675 MPa,影响深度分别约为110、150、160 m;显微硬度冲击一次后提升了29.2%,影响深度约为60 m。采用不等应力冲击后K24镍基合金模拟叶片疲劳强度由原始试件的282 MPa提高到327 MPa,提高了16%。     

激光冲击对K403镍基合金高温疲劳性能和断口形貌的影响

对K403镍基合金涡轮叶片进行激光冲击强化(LSP),利用高温高低周复合疲劳试验验证其强化效果。试验结果表明:冲击后裂纹源区附近平坦区较冲击前变大,在快速扩展(FCG)区,激光冲击强化后疲劳条纹间距减小,有大量二次裂纹产生。且强化后在材料表层会引发晶粒细化以及高残余压应力,但在550℃/150min保温下,残余应力部分发生松弛,但是表层细化结构有很好的热稳定性。相比冲击前样件,激光冲击强化后涡轮叶片疲劳寿命提高了140%。热松弛后的残余压应力和表面晶粒细化是镍基合金疲劳寿命提高的主要原因。     

激光冲击对钛合金机械零件疲劳特性的影响分析

为提升钛合金零件工作的可靠性与经济性,就激光冲击对钛合金机械零件疲劳特性的影响展开分析。根据激光冲击原理,得到冲击波压力与激光功率密度间关系,通过调整公式获取理想的冲击波压力值,优化激光器的各项参数;利用等离子高效产生冲击波,提升残余应力,得到应力分布方式与实际交变拉应力变化对疲劳强度与抗腐蚀性的影响,使疲劳裂纹得到有效控制;根据轮廓算术平均偏差和微观波浪度与点高度和,获得激光冲击与粗糙参数之间的负相关性,分析得出激光冲击对钛合金零件疲劳特性的影响。经过仿真实验,发现激光冲击能够有效降低表面粗糙度,令应力水平显著提升,从而增强耐疲劳、耐磨损性能,其对疲劳特性的影响有着主导性的作用。     

渗铝对K417激光冲击强化效果的影响

激光冲击强化(LSP)可以显著提高铸造镍基高温合金K417的抗疲劳强度。为提高K417在高温下的抗氧化和燃气腐蚀性能必须进行渗铝处理,研究了渗铝对K417激光冲击强化效果的影响。由残余应力在900℃保温的变化分析表明,虽然冲击后产生的残余压应力在高温下会部分释放,但是根据振动疲劳试验,激光冲击强化后材料疲劳强度为285.5 MPa,再渗铝后疲劳强度提高到339.5 MPa。结果表明,渗铝和激光冲击强化工艺可同时使用。     

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。