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。     

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

有限元分析(FEM)是预测激光冲击强化处理(LSP)后材料的残余应力场、合理优化冲击参数非常有效的方法。通过对材料冲击响应过程的分析,建立了激光冲击强化处理的有限元分析模型,实现了激光冲击强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式分析得到的材料内部各种能量变化过程,结合应力波理论,验证显式分析过程的正确性,提出显式分析求解时间的选择方法;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布,分析结果与实验结果非常接近。数值分析结果表明,表面残余应力在冲击区域内分布比较均匀,表层的残余应力梯度较小;多次重复冲击后,材料的残余压应力明显增加,残余压应力影响深度也显著加深;随着冲击次数的增加,材料的残余应力场趋于饱和。     

热变形条件对激光增材制造TC18钛合金组织及变形行为的影响

通过单轴等温热压缩实验,研究了激光增材制造TC18钛合金在不同变形条件下的热变形行为,分析了其流变应力-应变规律和动态软化机制,建立了峰值应力本构方程。结果表明,激光增材制造TC18钛合金的流变应力-应变曲线表现为连续软化和稳态流变两种特征,其激活能为476.8kJ·mol~(-1)。当热加工温度处于α+β两相区时,软化机制为动态回复;而当热加工温度处于β单相区时,软化机制为动态再结晶。激光增材制造TC18钛合金较理想的热加工工艺参数:变形温度为830~880℃、应变速率为0.001~0.003s~(-1)和变形温度为750~760℃、应变速率为0.001~0.002s~(-1)。     

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。     

空心叶片激光快速成形过程的温度/应力场数值模拟

针对航空发动机空心涡轮叶片激光快速成形(LRF),建立了温度场/应力场瞬态模型,采用有限单元生死技术模拟了熔覆层的沉积生长过程.采用随动强化及米塞斯屈服准则进行了热弹塑性分析,通过间接耦合模拟了TC4钛合金空心叶片激光快速成形的温度场/应力场演变过程.结果分析表明,在TC4钛合金空心叶片激光快速成形过程中,随着熔池的移动和成形高度的增加,温度场和应力场动态演化,其中由于基座的冷却及约束作用和熔池加热及应力释放作用,激光快速成形空心叶片温度和应力/应变场沿高度(z轴)方向呈梯度分布.温度场上高下低,散热方向从上至下,从熔池到基座;应力场下高上低,叶根等效应力最大.空心叶片激光快速成形结束冷却到室温,残余应力与熔覆过程应力分布规律基本相同,只是叶片顶部等效应力有所提高.     

激光冲击波诱导2024铝合金表面动态应变特性试验研究及理论分析

为研究脉冲激光冲击波诱导2024铝合金表面的动态应变特性,采用脉冲激光对2024铝合金试样表面进行冲击,并利用聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器测量了脉冲激光作用下2024铝合金表面的动态应变,建立了脉冲激光冲击波加载2024铝合金表面的动态应变模型,并通过试验数据对该模型进行了分析验证。研究结果表明,通过调整脉冲激光的作用参数可以控制激光冲击波与表面波不产生耦合;2024铝合金在激光冲击波诱导高应变率作用下的动态应力-应变关系曲线与在静力拉伸条件下的静态应力-应变关系曲线类似;脉冲激光冲击波加载2024铝合金表面动态应变的模型与试验结果一致。     

激光冲击处理的残余应力场形成机理及影响因素分析

激光冲击处理是利用激光诱导的高幅冲击波对材料表面实施改性的一种新技术。经激光冲击后,金属表面存在一定形式分布的残余压应力,残余压应力的存在能明显提高金属抵抗疲劳的能力。本文分析了激光冲击处理的基本原理和残余应力的形成过程,着重讨论了激光冲击处理过程中各种参数对残余应力场的影响,从而能更好的理解激光冲击处理后金属表层残余应力的分布特点,以及各种工艺参数对残余应力影响的一般规律。     

激光加载下钛合金的层裂特性研究

为研究激光冲击钛合金层裂行为,利用ABAQUS软件建立了尺寸为16 mm×16 mm×0.2 mm的钛合金在强激光加载下的有限元模型,得到不同激光冲击波峰值压力与冲击波加载时间下的钛合金自由面速度曲线,并根据自由面速度曲线计算出钛合金的应变率及层裂强度.模拟结果表明,在激光能量为10 J、脉宽为5 ns时,钛合金达到了...     

激光冲击强化残余应力的数值模拟研究

为了获得激光冲击强化诱导的残余应力场,采用数值模拟的方法,建立了单次激光冲击强化35CD4合金钢厚板2维轴对称有限元模型,对激光冲击过程中材料内部的能量变化、表面动态应力进行了分析,验证了显式动态求解时间选取的合理性,并讨论了模型网格单元尺寸、冲击压力空间分布模型选取对残余应力模拟结果的影响。结果表明,为了得到收敛的模拟结果,选用的网格单元尺寸应为0.03mm左右。单次圆斑激光冲击的残余应力计算结果与已知的实验测量结果吻合得较好。     

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。     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

基于ABAQUS的激光冲击波诱导残余应力场的有限元模拟

激光冲击处理(LSP)(或激光喷丸强化)是利用激光冲击波压力对材料表面实施强化处理的一种新型表面处理技术。经激光冲击后，残余压应力在材料表面和深度方向上的分布和大小是评价激光冲击效果的一个重要指标，而有限元模拟(FEM)是预测激光冲击处理后残余应力场分布和大小的一种有效方法。在利用ABAQUS软件对激光冲击处理6061-T6铝合金进行数值分析时，讨论了有限元模型、材料性能、冲击加载方式、分析时间等关键问题的处理方法，并分析了激光冲击后残余应力场的分布特点，最后利用有限元模拟考察了激光冲击次数对残余应力场的影响。     

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。     

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.     

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。     

激光喷丸成形中的残余应力

通过对激光喷丸成形(LPF)中残余应力场分布的研究,找出单点喷丸残余应力分布形式,以及单点多次、多点不同路径喷丸中后续冲击对前次冲击残余应力分布的影响规律。对准确控制残余应力分布,获得激光喷丸后所需的板料形状具有指导意义。利用钕玻璃高功率脉冲激光对厚度为1.2 mm的LY12CZ硬铝合金进行了单点激光喷丸,用X衍射应力测定仪考察了单点冲击后材料表面及深度方向的残余应力,用厚度为2 mm 的6061-T6铝合金板料进行三列窄条激光喷丸变形实验。以ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件为平台,建立了具有一定精度的激光喷丸过程中冲击波压力的加载模型,对板料的变形过程进行了数值模拟, 分别考察了不同激光能量,板料尺寸,冲击路径等工艺参数对残余应力场分布的影响。实验结合数值模拟探索激光喷丸的主要参数和残余应力场之间的相互关系。     

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。     

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。     

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。