喷丸强化对TC17钛合金疲劳性能的影响

采用铸钢丸对TC17钛合金材料进行了喷丸强化处理,研究了喷丸强化对表面粗糙度的影响,利用X射线应力仪分析强化层残余应力沿厚度方向分布情况,对比分析了TC17试件喷丸强化前后的疲劳性能。结果表明:喷丸对TC17钛合金表面完整性有十分大的影响,喷丸后表面粗糙度Ra由0.3μm增加至1.6μm左右;喷丸后表面残余应力在-600~-700 MPa之间,残余应力场深度达到160μm左右。喷丸可显著提高TC17钛合金的疲劳性能,与未喷丸相比,TC17钛合金喷丸后疲劳极限提高34%以上。     

激光冲击强化提高TC4叶片振动疲劳性能

针对典型钛合金TC4进行激光冲击强化(LSP)参数设计,对强化后残余应力分布规律进行测量,应用透射电子显微镜对强化后表层微观组织进行观察,对有无LSP钛合金叶片进行不同应力水平下的振动疲劳对比试验。研究表明,TC4钛合金LSP最佳功率密度为3.5GW/cm2,LSP在材料表层产生高数值的残余压应力场,表面残余应力可达-610MPa,最大值约-650MPa位于距离表面100μm处。LSP在钛合金表层产生纳米晶,纳米晶尺寸在几个至几十纳米。钛合金叶片LSP后疲劳极限由430 MPa提高至560 MPa,升高30%;在560MPa应力水平下,中值疲劳寿命提高为原来的200%以上;LSP在钛合金表层产生的残余压应力场和纳米晶共同作用显著提高了钛合金叶片的抗疲劳性能。     

TC17钛合金叶片制造过程的表面完整性研究

采用多种最终加工工序组合,在TC17钛合金叶片表面引入不同表面完整性状态,研究最终加工工序对叶片表面形貌、平均粗糙度、残余应力的影响。结果表明:仅振动光饰处理后,表面平均粗糙度在0.2μm以下,表面残留有磨料运动痕迹,残余应力影响层深度约为30~40μm,表面残余应力仅-200 MPa左右;不进行振动光饰处理时,陶瓷丸喷丸比玻璃丸喷丸后叶片表面粗糙度更佳,喷丸后叶片表面Kurtosis值接近3,本研究中残余应力影响层深度约为100μm,表面残余应力在-750~-850 MPa之间;喷丸后进行振动光饰可消除叶片表面的喷丸弹坑,平均粗糙度减小到0.2μm以下,残余应力影响层深度与未经振动光饰处理的相当,表面残余应力变化小。当加工痕迹被喷丸消除时,叶片表面Kurtosis值接近3,这说明弹坑底部圆滑,因此认为Kurtosis值可作为表征喷丸表面的特征粗糙度参数。     

激光冲击与喷丸复合强化TC17钛合金表层残余应力研究

目的 分析激光冲击与机械喷丸复合强化钛合金表层残余应力场及其在疲劳载荷下的稳定性。方法 采用薄壁叶片强化参数先后对TC17钛合金表面进行激光冲击强化和喷丸强化,利用X射线衍射法分析两种工艺复合强化表层的残余应力分布,并分别在25、400 ℃拉-拉疲劳加载条件下分析复合强化表层残余应力的稳定性。结果 激光冲击与喷丸复合强化表面残余应力值为-600 ~ -800 MPa,残余压应力幅值沿深度不断递减,压应力层深度为0.7~0.8 mm。表面至0.1 mm深度范围内的残余应力分布梯度较大,其分布特征主要受控于喷丸工艺,而距表面0.1 mm以下的残余应力分布梯度较小,其分布特征受控于激光冲击强化工艺。结论 激光冲击和喷丸强化顺序对最表层残余应力的均匀性有一定影响,对最表层以下的残余应力分布影响较小。复合强化表面残余应力在室温疲劳加载后具有较好的稳定性,在400 ℃疲劳加载下发生一定量松弛后趋于稳定。     

干、湿喷丸强化对TC17钛合金喷丸强化层的影响

目的 研究干喷丸与湿喷丸强化对TC17钛合金残余应力场的影响.方法 采用干、湿喷丸分别对TC17钛合金表面进行喷丸强化处理,利用X射线衍射仪、EBSD以及硬度仪,分析喷丸强度对材料表层残余应力、显微组织以及硬度的影响.结果 喷丸强度为0.20 mmN时,干喷丸最大残余应力在距表面30μm处,湿喷丸最大残余应力在表面;喷丸强度为0.30 mmN时,干、湿喷丸引入的残余应力场层深分别为200、90μm,干喷丸引入的残余应力层更深;喷丸强度为0.40 mmN时,干喷丸最大残余应力为–1191.5 MPa,而湿喷丸最大残余应力为–943.9 MPa,干喷丸引入的最大残余应力比湿喷丸的更大;当喷丸强度增加到0.50 mmN时,干、湿喷丸两种强化工艺均出现过喷丸现象,近表层的残余应力发生松弛,同时硬度值降低.通过EBSD研究发现,随着喷丸强度的增加,TC17钛合金表层组织中α相的小角度晶界比例先增加后减少,当喷丸强度为0.50 mmN时,α相内小角度晶界比例减少,大角度晶界比例增加.结论 当喷丸强度较小时,干喷丸强化引入的最大残余应力在次表面,而湿喷丸引入的在表面.当喷丸强度较大时,干、湿喷丸强化工艺均出现过喷丸现象,此时大量小角度晶界转变为大角度晶界,钛合金表层硬度场有所减小,残余应力场发生应力松弛.     

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。     

TC4-DT钛合金喷丸残余应力场及其热松弛行为

采用不同喷丸工艺对TC4-DT钛合金试样进行喷丸强化.使用X射线衍射仪分析了表层压应力场特征,研究了150 ℃和300℃保温过程中的残余应力热松弛规律.结果表明,喷丸后材料表面形成一定深度的残余压应力场,材料表面粗糙度增加.在时效过程中温度和保温时间对残余应力松弛的影响由热激活过程控制,应用Zener-Werft-Avrami公式分析了热松弛过程.     

基于正态分布的GCr15轴承钢强化研磨残余应力场数值模拟

目的 探索强化研磨不同工艺参数下定点喷射对GCr15轴承钢残余应力场的影响规律。方法 采用图像处理技术分析了不同工艺参数下强化研磨定点喷射表面覆盖率的分布特征。采用二维正态分布函数描述强化研磨定点喷射下钢珠的分布特征,运用Python/Opencv确定了在不同工艺参数下有限元模型所需的钢珠数量,基于Abaqus/Python构建出强化研磨正态分布有限元模型。运用所建立的正态分布模型分析不同喷射速度、钢珠直径及覆盖率对残余应力场的影响。结果 当喷射速度从45 m/s增加到70 m/s时,表面残余压应力从-683.5 MPa增加到-902.4 MPa,最大残余压应力从-981.6 MPa增加到-1330.6 MPa,残余压力层厚度从89μm增加到151μm,最大残余压应力深度从30μm移动到70μm。当钢珠直径从0.4 mm增加到1.0 mm时,表面残余压应力先增大后减小,最大残余压应力从-1063.5MPa增加到-1240.7MPa,最大残余压应力深度从30μm增加到60μm,残余压应力层厚度从103μm增加到147μm,其中钢珠直径从0.8 mm增加到1.0mm,最大残余压应力保持不变...     

Ti-6Al-4V钛合金陶瓷湿喷丸表面强化微观组织与疲劳性能

采用陶瓷湿喷丸强化工艺对Ti-6Al-4V合金进行表面处理。结果表明:经湿喷丸后,材料表面硬度由330HV提高到416HV;表面粗糙度由原始的0.35μm增大到0.48μm,较传统的干喷丸相比,粗糙度值小一个数量级;表面残余应力达-749 MPa,且最大压应力位于最表层,残余压应力层深度约为120μm;拉-拉疲劳强度由605 MPa提高到680 MPa。微观组织分析表明:喷丸处理后钛合金表层位错密度显著增加,晶粒细化,基面织构由(100)向(101)转变。陶瓷湿喷丸强化处理可提高Ti-6Al-4V合金的疲劳强度。     

喷丸残余应力裂纹柔度法与X射线法对比研究

用裂纹柔度法对45钢调质喷丸试样的残余应力大小及分布进行了测量,并将其测试结果与结合电解抛光技术的X射线法测得结果进行了对比。结果表明,裂纹柔度法测得距喷丸表面300μm深处的残余压应力为471 MPa,残余压应力场深为900μm;X射线法测得的最大残余压应力在近表层120μm处,为446 MPa,残余压应力场深为820μm;在可比较深度范围内,两种测试法获得的残余应力具有相同变化趋势,且数值大小也接近。     

钛合金薄壁叶片喷丸变形的研究

目的 研究喷丸工艺对钛合金薄壁叶片变形的影响,找到解决喷丸变形的方法 .方法 对钛合金薄壁叶片进行喷丸强化,采用三坐标测定喷丸前后叶片的尺寸变化情况.结果 在喷丸强度和覆盖率一致的前提下,采用不同的路径对叶片进行喷丸后,叶片的变形趋势和变形量没有很大差异.叶片进行喷丸后,采用相同的喷丸强度对叶片进行二次喷丸,叶片几乎不发生变形,需要采用更高的喷丸强度进行二次喷丸才可以使叶片发生变形.在喷丸之前对叶片进行真空去应力,虽然叶片表面的残余应力有相应减少,但与不进行真空去应力的叶片相比,喷丸变形情况没有发生太大的改变.结论 可采用喷丸前预变形和喷丸校正的方法 解决喷丸变形的问题,使得叶片喷丸后的尺寸达到图纸的要求.     

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,当覆盖率达到400%时,中值疲劳寿命估计量达到稳定;高喷丸强度且表面覆盖率达到400%时疲劳极限为480 MPa,较原始试样疲劳极限(400 MPa)提高20%。残余应力和组织强化机制是DZ125合金喷丸的强化因素,随着喷丸强度的增大,残余压应力数值略有减小,但均明显大于原始状态;高喷丸强度时,覆盖率400%时DZ125合金表面产生超过200 μm深度的硬度场,且表面硬度较基体(430 HV0.1)提高37%。当缺口部位实际载荷大于屈服强度时,疲劳过程中残余应力和硬度都将明显松弛,经历700 ℃/600 MPa/1.5×10⁵周次的断裂试样,表面残余应力降低54%,表面硬度下降14%。     

发动机压气机铝合金叶片的喷丸防护

通过对发动机压气机铝合金叶片断裂故障进行分析,提出采取喷丸强化+涂漆工艺提高叶片应力腐蚀防护能力。研究了喷丸工艺和涂漆工艺对残余压应力的分布、松弛以及叶片的耐腐蚀性能和耐风砂性能的等的影响规律。结果表明,叶片经喷丸和涂漆处理后,耐腐蚀性能和耐风砂性能显著提高,同时叶片的应力状态得到了有效改善。对防护工艺优化后的叶片进行装机试车考核,考核通过后在叶片上未发现裂纹。     

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。     

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。     

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。     

The effect of surface modification on fretting fatigue in Ti Alloy turbine components

Severe fretting damage has been observed on the pressure surfaces of fan and compressor blade dovetails/disks in an aerospace gas turbine engine. A study has been carried out to evaluate the effect of an ion implantation technique in combination with the presently used surface treatments, such as shot peening and coating, on the fretting fatigue life of titanium alloy gas turbine engine components. The results from fretting fatigue tests, residual stress measurements, and nanoindentation tests were used to quantitatively evaluate the effect of various surface treatments on the fretting fatigue life of the fan blade and disk materials. Results from microstructural characterization and analyses of elemental and phase distributions within the implanted region are used to understand the effect of ion implantation on the surface properties of the alloys. Finally, an attempt has been made to evaluate the potential for improving the fretting fatigue life of the engine components using various surface modification techniques.