前混合水射流喷丸单丸粒冲击特性研究

单丸粒冲击特性是研究混合射流表面喷丸强度和覆盖率的基础指标,丸粒特性与靶材特性均会对冲击后的弹坑形态产生影响。以不同热处理后的18CrNiMo7-6低碳合金钢为靶材,研究了不同丸粒冲击条件下的弹坑特性。从弹坑形成机理出发,建立了单丸粒冲击弹坑尺寸模型,并通过试验研究,修正了高硬度靶材弹坑的误差,使弹坑深度预测误差降低到30%以下。在此基础上,研究了弹坑相关特征参数(深径比、坑深坑直径占比、脊高)的规律。结果表明,丸粒硬度和靶材硬度对深径比以及坑深直径占比影响最为显著,而弹坑周边的脊状结构只存在于低硬度靶材中。各参数对脊高的影响由大到小分别为丸粒直径、丸粒硬度和丸粒速度。

齿轮表面摩擦学设计与表面织构化研究进展

我国国防事业的飞速发展对航空高速齿轮提出了更高要求,而有关齿轮副表面摩擦学设计仍是薄弱环节。表面织构技术已成为摩擦学领域的研究热点,在减摩抗磨、减振、抗粘附和抗蠕爬等多个领域展示出良好的应用潜力。有关齿面织构化设计研究尚处于起步阶段,还远未能形成规范成熟的设计理念和方法。对当前在齿轮表面摩擦学设计及表面织构化方面的研究工作进行全面综述。首先从齿轮表面摩擦学设计基本要求展开介绍,指出表面粗糙度和表面纹理是齿轮副表面摩擦学设计的关键,而大量研究已经证实,不管是滚动还是滑动摩擦,并非表面越光滑摩擦学性能越优异,在齿轮副表面织构化设计方面的研究工作已经展开。随后对现有齿轮副表面织构化的研究工作进行梳理,总结齿面织构化处理后带来的性能增益,主要包括减摩抗磨效应、表面强化效应、减振和降温效应。接着,介绍齿轮弹流润滑数值计算方面的研究进展,总结在表面纹理、表面织构对齿轮副的弹流润滑特性影响机制方面的研究。随后,对齿轮副表面织构加工技术进行对比分析,主要包括织构激光刻蚀、织构掩膜电解和织构微磨料射流等特种加工技术的优劣。对现有研究不足和潜在研究方向进行展望,从织构设计和加工等方面对齿轮表面织构化设计提供指导,研究结果可为未来航空高速齿轮副表面织构化设计提供科学指导和数据支撑,填补该领域研究空白并扩大表面织构应用领域。

基于有限元仿真的钛合金喷丸技术应用综述

喷丸强化工艺作为一种常用的表面强化技术,在钛合金相关零部件的表面强化中起到重要作用,有限元技术在探究喷丸强化工艺机理和强化效果中应用广泛。目前,多数喷丸仿真研究都是以钢和铝合金为材料,以钛合金为材料的喷丸仿真研究相对较少。本文总结了国内外学者关于钛合金传统喷丸仿真技术、钛合金新型喷丸仿真技术以及钛合金传统喷丸技术与新型喷丸仿真技术的联系,并对钛合金喷丸仿真方面的发展趋势进行展望。

表面超声滚压处理对TC4钛合金表面粗糙度的影响

为提高TC4钛合金叶片性能,对其进行表面超声滚压处理,分析了主轴转速、进给速度、静压力、滚压次数四个因素对表面粗糙度的影响,并通过正交试验优化参数。结果表明,主轴转速、进给速度对表面粗糙度的影响显著,通过水平分析,筛选出最优方案为主轴转速400 r/min、进给速度0.1 mm/r、静载荷490 N、滚压次数3次。表面超声滚压是一种有效的TC4钛合金表面质量提升工艺,筛选的最佳工艺方案可将表面粗糙度由Ra0.8μm降低至Ra0.079μm,摩擦系数降为一半,耐磨性显著提升,证明该工艺方案在TC4钛合金叶片使用寿命提高方面具有一定的参考意义。

喷丸残余应力对轨道车辆齿轮齿根裂纹应力强度因子的影响分析

高周循环应力工况下齿根裂纹所引发的疲劳断裂是轨道车辆传动齿轮强度失效的主要原因之一。为了分析喷丸残余应力和齿根弯曲应力耦合下对轨道车辆传动齿轮齿根裂纹应力强度因子影响规律与作用机制,针对实际喷丸过程中弹丸位置的随机特性,基于有限元二次开发了20结点奇异元1/4结点位移法,联合建立了FEM-DEM(有限元-离散元)耦合喷丸模型和三维单齿齿根裂纹模型,制定了一套多步骤联合数值模拟方法,并对齿根裂纹应力强度因子在内部残余应力场和外部载荷共同作用下的变化进行了分析。研究结果表明:喷丸强化引入的残余压应力场使得裂纹尖端应力强度因子减小约12%,有效地抑制了疲劳裂纹扩展;喷丸对裂纹扩展的抑制作用在表面与近表面区域最为明显,随着裂纹深度和外加载荷的增大而减弱;残余应力对应的应力强度因子与外载荷无关,仅与初始应力状态有关。

316L不锈钢表面激光熔覆Ni60合金涂层几何尺寸预测及组织性能分析

通过分析激光熔覆过程中金属颗粒、基体与激光束之间的相互作用,建立单层单道涂层几何尺寸理论预测模型。基于316L不锈钢表面激光熔覆Ni60合金涂层的实验结果,采用多元回归分析拟合出修正系数与工艺参数的回归方程,在理论预测模型的基础上引入修正系数,获得单层单道涂层几何尺寸修正预测模型,并在激光功率、扫描速度和送粉速率分别为1 750 W、3.5 mm/s和0.099 g/s的条件下进行验证实验。结果表明:熔宽、熔高和熔深的修正预测值与实验值的平均相对误差分别为0.85%、2.47%和6.05%,修正预测模型的预测精度较理论预测模型明显提高。激光熔覆验证实验表明修正预测模型具有可行性。Ni60合金涂层富含硬质相,其硬度可达316L不锈钢基体的3.4倍,磨损率约为基体的50%,强化效果显著。

56NiCrMoV7钢激光熔覆Ni60合金涂层的质量预测与性能分析

基于响应面法开展56NiCrMoV7钢表面激光熔覆Ni60合金粉末的理论及实验研究。以激光功率、扫描速度、送粉速率和搭接率为影响因素,以涂层表面平整度、稀释率及显微硬度为响应目标建立多元回归预测模型,进行工艺参数优化和涂层质量预测。结果表明:送粉速率和扫描速度的交互作用对表面平整度影响最大;激光功率、送粉速率及搭接率对稀释率均有显著影响;送粉速率对显微硬度影响最大,激光功率次之。优化的工艺参数为激光功率1647 W,送粉速率0.5 rad/min,扫描速度5 mm/s,搭接率0.4,所制备Ni60合金涂层的表面平整度、稀释率和显微硬度预测值与实验值一致性较好。Ni60合金涂层与56NiCrMoV7基体之间为冶金结合,涂层的硬度和耐磨性均优于基体,表面强化效果明显。

超声喷丸对6061铝合金表面性能及拉伸性能影响

为研究超声喷丸对6061铝合金表面性能及拉伸性能的影响。采用光学显微镜、三维形貌仪、显微硬度仪、电子拉伸试验机、扫描电子显微镜(SEM)分析不同喷丸时间下6061铝合金试样的微观组织、表面形貌、表面粗糙度、显微硬度、拉伸性能及拉伸断口形貌。喷丸处理后,试样表面发生塑性变形,晶粒得到细化,表面显微硬度由105Hv增加到144.1Hv,硬化层厚度约500μm,表面粗糙度随喷丸时间先增加后减小;相比于未喷丸试样,喷丸处理后试样的拉伸性能有不同程度改善。试验结果表明,超声喷丸处理能有效改善6061铝合金的表面性能和拉伸性能,不同时间的喷丸处理效果存在差异,喷丸时间为180s时,试样拉伸性能较好。

喷丸强化对车辆传动齿轮裂纹扩展影响的研究综述

疲劳断裂是重载车辆传动齿轮的主要失效形式之一,齿轮底部疲劳裂纹的扩展将缩短车辆传动系统的服役寿命,严重时会导致车辆发生安全事故。延缓裂纹扩展的主要方法是在传动齿轮的表面引入一定大小的残余压应力。喷丸技术是一种冷加工表面强化处理工艺,该技术利用高速弹丸冲击材料表面,使零件表层产生塑性应变的同时,在表面和内部引入残余压应力,从而使裂纹闭合的能力得到强化,达到延缓裂纹扩展的强化效果。为了更好地揭示喷丸引入的残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,首先综述了传动齿轮表面疲劳裂纹产生的原因以及疲劳裂纹的扩展行为对重载车辆服役的影响。从强度因子、J积分以及裂纹闭合效应出发,介绍了传动齿轮表面疲劳裂纹扩展的理论以及残余压应力与疲劳裂纹扩展速率之间的关系。其次概述了目前国内外常用的新型有益于将残余拉应力转化为残余压应力的微粒子喷丸、激光喷丸、超声喷丸方法,并与传统机械喷丸技术相比较,阐述了新型喷丸表面强化技术的优缺点。此外,从数值模拟和试验结果两方面,论述了喷丸速度、喷丸角度、弹丸直径、弹丸材质和覆盖率5个工艺参数对在传动齿轮表面引入残余压应力的改善影响。最后对喷丸强化技术在传动齿轮上的多目标参数优化以及多尺度残余压应力与疲劳性能进行了展望,并结合重载车辆的使用需求,强调需要创新设计一种效率高、价格低、适用性广的喷丸技术,以进一步推动喷丸强化在延缓疲劳裂纹扩展方面的持续发展。

空压机在不锈钢管内壁喷丸强化处理生产线中的应用研究

本文介绍分析了设计改造不锈钢管内壁喷丸强化处理生产线的压缩空气系统的过程及应用成果。通过采用4台高压双螺杆式空压机,每2台空压机配1台冷冻式干燥机(包括前置过滤器、离心式气水分离器、后置精滤器、储气罐)为设备提供优质稳定压缩空气。并实现就地、远程监控,极大减少设备能耗,合理控制空压机温度,提高生产稳定性,降低工人劳动强度,提高产品质量和效率,解决了空压机供气不足、喷丸质量低等问题。

喷丸强化覆铝7B04-T7451铝合金的表面完整性及疲劳性能研究

研究了喷丸强化对覆铝7B04-T7451铝合金表面完整性和疲劳性能影响,阐明了覆铝层对喷丸强化效果的影响。采用维氏硬度计、原位纳米测试系统、激光共聚焦显微镜、X射线衍射仪等,分析了喷丸强化后试样的显微硬度、表面轮廓、表面粗糙度及残余应力等的变化。利用疲劳试验机测试喷丸强化试样的疲劳寿命,利用扫描电镜分析疲劳断裂断口的特征。结果表明,喷丸强化覆铝7B04-T7451试样表层硬度从表层向内部逐渐增大,直到基材硬度,表面硬度较原始试样略有提高;覆铝7B04-T7451试样表面发生剧烈的塑性形变,弹丸尺寸较大,表面粗糙度明显增大;喷丸强化引入深度约150μm的残余压应力层,但其残余压应力数值和应力峰值均较小。喷丸强化覆铝7B04-T7451铝合金的疲劳性能没有获得提高,由于表面粗糙度和塑性形变显著增大,使得疲劳裂纹源在覆铝层表面萌生较快,疲劳寿命降低。

滚压量对300M钢螺栓退刀槽表面完整性的影响

滚压加工是螺栓表面强化的主要方法,但关于滚压参数对高强度钢螺栓表面质量的影响规律研究鲜有报道。为了研究滚压量对300M钢螺栓退刀槽表面完整性的影响,使用zygo表面粗糙度轮廓仪、超景深显微镜、显微硬度计、X射线应力衍射仪、扫描电镜等设备,对滚压后螺栓退刀槽表面粗糙度、表面形貌、显微硬度、残余应力、表层显微组织等进行检测。结果表明:随着滚压量的增大,表面粗糙度先减小后增大,当滚压量为0.08 mm时,表面粗糙度Sa达到最小值0.058μm,相比滚压前减小75%;螺栓退刀槽表层晶粒明显细化,并形成高密度位错,滚压量为0.11 mm时塑性变形层深最大达166μm;塑性变形使螺栓表层显微硬度显著增加,最大值为660 HV,相比基体硬度提高16%,形成280~400μm的硬化层;滚压加工给螺栓表面引入较大的残余压应力,且随滚压量增加逐渐增大,残余压应力最大达848.4MPa。研究结果补充了300M高强钢螺栓退刀槽滚压表面完整性数据,可应用于工艺人员对民机、军机等螺栓断裂原因分析、疲劳寿命预测及螺栓滚压加工参数优选。

基于DEM-FEM耦合模型的质量流量对喷丸强化效果的影响

目的提出一种将有限元(FEM)与离散元(DEM)相耦合的新方法,即通过定义关键字的方式在ABAQUS软件内实现DEM-FEM耦合功能,并应用此方法建立喷丸强化模型。方法将弹丸视为等直径刚体,利用刚体动力学模拟弹丸-弹丸和弹丸-靶材之间相互作用以及整个弹丸流。通过建立的DEM-FEM耦合喷丸强化模型研究质量流量对残余应力场和表面粗糙度的影响。结果质量流量对喷丸强化效果有显著影响,最大残余应力随质量流量的增加而减小,由2 kg/min时的–596.77 MPa下降到6 kg/min时的–581.91 MPa;表面残余应力随质量流量的增加先增大后减小,由2 kg/min时的–420.86 MPa增大到4 kg/min时的472.06 MPa,随后减小到6 kg/min时的–450.50 MPa;表面粗糙度Ra随质量流量的增加减小,由2 kg/min时的11.21μm减小到6 kg/min时的9.82μm。设计了喷丸强化实验,对质量流量2 kg/min的结果进行了验证。结论实测值与模拟值吻合较好,所建立的模型可以准确反映实际喷丸强化过程。质量流量对喷丸强化效果具有显著影响。

有限元模拟再喷丸参数对Q345B钢残余应力演变规律的影响

对退火态Q345B钢依次进行喷丸、预疲劳、再喷丸处理,采用X射线/剥层法研究了再喷丸对残余应力和疲劳寿命的影响,以预疲劳的残余应力为初始应力,构建了随机弹丸再喷丸有限元模型,研究了覆盖率(100%,200%,300%)、弹丸直径(0.4,0.5,0.6,0.7mm)和弹丸初速度(25,35,40,45m·s^(-1))对残余应力分布及其影响层深度和试样表面粗糙度的影响。结果表明:再喷丸处理可以使预疲劳处理松弛的残余应力基本恢复到单次喷丸后的水平,并进一步延长其疲劳寿命。有限元模拟得到,随着覆盖率增加,再喷丸引入的残余压应力和影响层深度无明显变化,试样表面粗糙度增大;随着弹丸直径和弹丸初速度增加,残余压应力和影响层深度均先增大后趋于稳定,表面粗糙度增大。最优再喷丸参数为弹丸初速度40m·s^(-1),弹丸直径0.6mm,覆盖率100%。

空化水喷丸表面改性技术研究进展综述

空化水喷丸是一种利用空化现象产生的巨大能量冲击材料表面,对零件进行强化的表面改性技术。因其对诸多金属材料都具有强化作用,而被广泛应用于改善零件的表面状态,形成残余压应力层,延长零件的疲劳寿命。主要从基本原理、试验设备和研究现状3个方面对水射流空化喷丸(WJCP)、超声空化喷丸(UCP)和激光空化喷丸(LCP)进行了介绍,并从理论和试验等方面总结了不同类型金属材料进行空化水喷丸后其残余压应力、粗糙度和疲劳寿命等方面的变化情况。在上述研究内容的基础上,结合空化水喷丸技术的优势,对空化水喷丸今后的发展方向和应用前景进行了展望。研究表明,空化水喷丸技术作为一种新型的表面强化技术,具有独特的优势和广阔的发展前景。

弧齿锥齿轮喷丸表面微观形貌仿真与试验验证

喷丸强化工艺能在弧齿锥齿轮表面及次表面引入残余压应力场,提高其疲劳寿命;但工程应用中经常出现不适当的喷丸参数,导致齿轮表面粗糙度显著增加,影响了齿面制造质量。为了准确预测与调控喷丸后齿轮表面微观形貌及表面粗糙度,基于离散元和有限元耦合的方法,提出了一种弧齿锥齿轮齿面喷丸工艺仿真计算方法,表面粗糙度预测与实测误差在20%以内,表明仿真预测方法具有准确性。基于该方法,以某弧齿锥齿轮为研究对象,研究了不同喷丸工艺参数与喷丸后齿面微观形貌的关联规律。研究结果表明,①随着喷丸时间增加,齿面三维粗糙度Sa先显著增加后缓慢下降;②当喷丸时间为50 s时,在本文的工艺参数下能达到满覆盖率;③弹丸速度与弹丸直径对齿面粗糙度均有较大的影响,但弹丸直径的影响更为显著。研究工作为喷丸后弧齿锥齿轮表面的微观形貌准确数值模拟与预测提供了方法基础,为合理制定喷丸工艺参数提供了技术参考。

喷丸对CoCrFeMnNi高熵合金疲劳性能的影响

愈发严苛的服役环境对高熵合金未来在航空航天领域的应用提出更高要求,喷丸强化技术能够细化晶粒,改善材料表面完整性及疲劳性能,研究了喷丸强化对CoCrFeMnNi高熵合金疲劳性能的影响。选用陶瓷丸进行喷丸强化处理,采用X射线衍射技术测量了表面残余应力,并对试样进行了旋转弯曲疲劳试验。结果表明,喷丸强化在CoCrFeMnNi高熵合金表面引入了残余压应力,最大值为437 MPa。450 MPa下,CoCrFeMnNi高熵合金寿命延长至原始试样寿命12倍左右,疲劳极限从245 MPa提升至400 MPa,疲劳寿命得到显著提升。此外,喷丸强化处理改变了高熵合金试样的裂纹萌生位置,喷丸试样的疲劳裂纹萌生于材料表面的下表层,原始试样的疲劳裂纹则起始于材料表面。

激光冲击强化对Ti-6Al-4V榫齿结构高低周复合疲劳性能的影响

为了探究激光冲击强化对Ti-6Al-4V合金榫齿结构高低周复合疲劳行为的影响,本文对经过激光冲击强化处理的Ti-6Al-4V榫齿结构的表面完整性特征和高低周复合疲劳性能进行测试。结果表明:相比于未经过激光冲击强化处理的原始榫齿结构,激光冲击榫齿结构的高低周复合疲劳寿命提高729%。激光冲击改变了榫齿结构接触区域的微动磨损特征。原始榫齿结构表现为大尺寸的脱层磨损坑,坑底部诱发微裂纹并向基体内扩展,而激光冲击榫齿结构表现为小尺寸脱层薄片。此外,激光冲击还降低榫齿结构的疲劳裂纹扩展速率。激光冲击强化抗高低周复合疲劳作用显著,这主要归因于激光冲击强化层改变疲劳裂纹萌生方式,并抑制裂纹早期扩展。

机械喷丸+激光冲击复合表面改性TC4钛合金表面完整性研究

为提升航空发动机钛合金叶片性能,采用机械喷丸、激光冲击及复合强化对TC4钛合金表面进行改性处理,并研究复合强化顺序及参数对钛合金表面完整性的影响。结果表明:复合喷丸强化钛合金的表层残余压应力场具有单独机械喷丸、激光冲击的耦接特征,近表面残余应力场接近机械喷丸,近基体区域的残余应力场接近激光冲击,即整体残余应力场深度大、表面应力值高。复合强化顺序影响残余应力层中间段的应力值分布,先激光冲击后机械强化的残余应力相对更高。机械喷丸强度较低时,强化顺序对表面粗糙度影响不大;机械喷丸强度较高时,强化顺序对表面粗糙度影响大。机械喷丸强化后的试样近表面组织内形成小角度晶界和少量孪晶,激光冲击强化试样近表面仅形成小角度晶界,但没有观测到孪晶,而先激光冲击的复合强化试样产生孪晶较多。

车轮辐板抛丸强化试验数据分析与研究

根据轧制车轮辐板抛丸强化得到的试验数据,经PA2软件处理后绘制出阿尔门饱和曲线,结合抛丸强化工艺参数及抛丸强化机理,对车轮辐板抛丸强化试验数据及阿尔门饱和曲线进行研究分析。结果表明:弧高值的大小取决于弹丸对试片的冲击功,满足弧高值要求的情况下,冲击功越小,饱和时间越短。当冲击功低于一定值后,冲击功越小,饱和时间反而越长。在满足弧高值要求的情况下,提高工件喷丸强化生产效率的唯一方法是提高单位时间内的喷丸量,即增大抛丸器功率。