激光冲击强化技术在核电领域的研究进展

激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏系统的综述。先通过介绍不同表面形变强化技术,叙述激光冲击强化技术的发展,阐述激光冲击强化机制,最后综述激光冲击强化技术在核电领域的应用研究进展。总结发现,激光冲击强化技术可有效改善核电领域材料力学、摩擦磨损及腐蚀性能,但传统和添加辅助手段激光冲击强化技术受约束层和吸收层影响较大,无涂激光冲击强化技术对金属易产生热效应,飞秒激光冲击强化影响层浅且强化效果差,不同工艺技术在核电领域提升摩擦磨损性能研究较少。对不同工艺激光冲击强化机理及在核电领域材料不同性能的提升进行深入研究,为进一步提升激光冲击强化技术在核电领域材料的应用提供理论基础,可为核电领域关键装备进行强化、提升核电装备运行寿命提供参考。

无保护层纳秒脉冲激光强化对DD5单晶合金耐磨性能的影响

目的提高发动机涡轮叶片榫头材料DD5单晶高温合金的高温耐磨性能。方法采用不同能量的无保护层纳秒脉冲激光对DD5单晶合金试样表面进行处理,利用摩擦磨损试验机获得DD5单晶合金在650℃下的摩擦磨损性能参数,并通过显微硬度计、扫描电子显微镜、能谱仪、共聚焦三维表面轮廓仪对磨损前后的DD5单晶试件进行表征分析,揭示纳秒脉冲激光强化技术提高单晶高温合金耐磨性能的机理。结果采用纳秒脉冲激光处理DD5单晶高温合金后,材料表层发生了重熔现象,并在重熔层中生成了弥散分布的铝的氧化物颗粒,其粒径为5~50nm;纳秒脉冲激光处理后产生的弥散分布的氧化铝颗粒为硬质相,它提升了单晶表面的显微硬度;经纳秒脉冲激光处理后,试样的磨损率降低了19.7%~37.6%,单晶合金的磨损机制以磨粒磨损为主。结论经纳秒脉冲激光处理后,单晶表面生成了含有弥散分布的纳米氧化铝颗粒的重熔层,在它与激光诱导的等离子体冲击波产生的硬化层的共同作用下,提升了镍基单晶高温合金在高温下的耐磨性能。

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100μm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。

风扇/压气机叶片外物损伤验证方法及疲劳强度预测研究

为了在部件试验器上验证发动机风扇/压气机叶片的抗外物损伤的能力,针对某型航空发动机高压压气机叶片,开展了叶片的外物损伤试验和损伤叶片的高周疲劳试验,提出了叶片预制缺口位置、深度的确定方法以及根据动应力测试数据确定振动疲劳试验载荷的方法。使用最差缺口模型对损伤叶片进行了疲劳强度的预测与评估,结果表明,该模型对带缺口试样疲劳强度的预测偏危险,在工程使用时建议取1.5倍安全系数。

激光冲击强化技术研究和多尺度模拟综述

激光冲击强化技术是一种利用高功率密度和短脉冲的激光对材料表面进行强化处理的新型表面改性技术,能够在材料表面形成梯度纳米结构并产生有益的梯度残余压应力场,有效提高材料的力学性能。本文介绍了激光冲击强化技术的发展历史和研究现状,并就该技术的应用前景进行了展望。随后,分析了激光冲击强化技术的原理,并分析了激光冲击诱导产生的残余应力和梯度纳米结构对材料的强化作用。综述了激光冲击强化技术对材料强韧性、抗疲劳性、耐磨性和抗应力腐蚀开裂能力的影响,最后从宏观、介观、细观、微观和纳观5个尺度介绍了激光冲击强化技术的多尺度模拟研究,并对比了不同尺度模拟手段的差异。

激光冲击强化改善增材制造金属疲劳性能

激光冲击强化作为一种有效的金属表面改性技术,在提升增材制造金属疲劳性能及服役寿命方面,展现出了令人振奋的应用前景。本文首先简要介绍了激光冲击强化技术和增材制造技术的发展及分类,然后综述了激光冲击强化作为后处理方式改善增材制造金属疲劳性能的研究进展,并从激光冲击强化调控表面附近的孔隙率、微观组织结构、残余应力等方面阐述了疲劳性能得以提升的机制;同时总结了激光冲击与增材制造复合工艺对增材制造金属疲劳性能的改善效果,并从表面残余压应力及其分布深度分析了疲劳性能大幅提升的原因;最后总结并展望了激光冲击强化在提升增材制造金属疲劳性能方面亟待开展的研究方向。

激光冲击强化对不锈钢焊接接头拉伸性能的影响

利用激光冲击强化对12Cr2Ni4A不锈钢焊接接头进行处理,比较了激光冲击一次和二次前后焊接接头拉伸性能、显微硬度和表面残余应力.结果表明,12Cr2Ni4A焊接试件经过二次激光冲击强化后,显微硬度提高了50%,抗拉强度由818.5 MPa提升至863.8 MPa,并且断裂区域由焊接热影响区转移至基体处,焊接试件的拉伸性能显著提高.激光冲击强化消除的焊接残余拉应力是焊接接头拉伸性能提高的主要原因.

K417材料激光冲击强化残余应力松弛预测

针对某型发动机涡轮叶片材料K417激光冲击强化后残余应力在高温下松弛的现象,分析了残余应力松弛的机理,并运用灰色理论建立了温度作用下残余应力松弛的灰色预测模型。该模型的计算结果和实验结果吻合良好,精度较高,为激光冲击强化后残余应力松弛的预测提供一种可行的方法。

激光冲击复合强化机理及在航空发动机涡轮叶片上的应用研究

激光冲击强化是一种精密加工技术,广泛用于金属材料表面改性,是国际上精密制造与抗疲劳制造研究前沿,其发展与解决航空发动机压气机/风扇叶片高周疲劳断裂问题相关,被美国空军列为四代战机发动机76项关键技术之一。但美国规范和有关专家指出：激光冲击强化不在高温部件应用,这是由于激光冲击形成的残余压应力在热作用下松弛,降低强化效果,美国规范也限制了镍基合金538℃的使用温度。我国高温涡轮叶片疲劳断裂故障突出,是影响航空发动机可靠性的重、难点问题之一,迫切需要强化。

激光冲击复合强化机理及在航空发动机涡轮叶片上的应用研究

激光冲击强化是一种表面强化技术,是精密制造和抗疲劳制造研究前沿,被美国列为第四代战机发动机关键技术之一,但美国规范和有关专家指出：激光冲击强化不能用于高温涡轮部件。而我国航空发动机涡轮叶片振动疲劳断裂问题十分突出,迫切需要强化。

激光冲击强化对熔覆后TC4钛合金性能的提高

对TC4钛合金的熔覆试样进行激光冲击强化试验,比较了激光冲击强化前后试样的显微硬度、表面残余应力、显微组织和疲劳性能.TC4钛合金熔覆后,修复区表面残余拉应力为225 MPa,激光冲击强化消除了熔覆产生的拉应力,产生了449 MPa的残余压应力,在基体残留的压应力高达672 MPa;激光冲击强化后,修复区硬度由强化前的333 HV提高到381 HV.TEM显示:3次冲击后,在TC4材料表面形成了纳米晶层.对强化前后的激光熔覆试样进行高周疲劳试验,结果表明:激光冲击强化提高熔覆后钛合金疲劳强度达15.8%.经分析,冲击后细化晶粒和残余压应力对高周疲劳性能的提高起到了关键作用.

激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展试验

为研究激光冲击强化对钛合金试件疲劳性能的影响,在标准试件的裂纹扩展路径上设计了全强化和间隔强化两种不同的强化方案,研究激光冲击强化对试件疲劳寿命和裂纹稳定扩展时速率的影响规律,利用有限元数值模拟和X射线残余应力测试获得了试件的残余应力场分布状态,并对比分析了试件的断口形貌和微观组织特征。结果表明:相比于未强化试件,激光冲击强化后试件的平均疲劳寿命分别提高了2.14倍和1.90倍,两种不同的冲击强化方法分别降低钛合金试件的裂纹扩展速率24%和15%。间隔强化后试件表面产生-512 MPa的最大残余压应力,裂纹扩展的C′值为-7.3,m值为2.6,而强化间隔区引入最大值为82.4 MPa的残余拉应力,裂纹扩展速率急剧升高,C′值减小至-13.6,m值为8.0。当裂纹扩展到强化区时,扩展速率再次降低,激光冲击强化对TC17钛合金疲劳裂纹扩展有显著的抑制作用。

激光冲击表面强化对焊接接头力学性能的影响

为提高焊接接头的力学性能,利用波长为532nm,脉宽为10ns,能量为6.25J,光斑尺寸为3mm的YAG激光器对焊接接头进行了激光冲击强化处理。结果表明:激光冲击强化使接头拉伸强度由815MPa提高到867MPa,焊缝硬度提高51.4%,热影响区硬度提高28.2%,焊接后残余应力由134MPa转变为-237MPa。利用光学显微镜对焊缝进行了观察和分析,并对力学性能提高的机制进行了讨论。

斜激光冲击对航空发动机风扇轴弯曲疲劳性能的影响

采用激光斜入方法对航空发动机扇轴转接圆角部位进行激光冲击强化试验。分析了斜冲击机理及方法,计算优化斜激光冲击强化试验参数,对冲击前后试件的显微硬度、残余应力进行对比分析,并进行旋转了弯曲疲劳对比验证试验。其结果表明,风扇轴经过激光斜冲击强化后,表面显微硬度提高了11%,残余应力不均匀性得到改善,旋转弯曲疲劳寿命提高了160%;断口观察分析可知,激光冲击强化可以使疲劳源位置内移,降低裂纹扩展速率,从而提高试件的疲劳性能。

飞机座舱有机玻璃与ITO薄膜附着力优化

针对飞机座舱有机玻璃与ITO薄膜附着力差这一现象,提出了在磁控溅射法镀ITO薄膜前,先对有机玻璃基体进行低温等离子体表面轰击、预镀SiO2过渡层的改进方法。试验结果表明,改进工艺条件下制得的薄膜与基体的附着力得到了显著增强,且光电性能满足应用要求。

激光冲击强化对K4030高温疲劳性能影响

对K4030镍基高温合金涡轮叶片进行了激光冲击强化,研究了激光冲击诱导残余应力场分布、激光冲击引起的表层硬化以及在350℃、500℃和550℃保温下的热稳定性。实验结果表明:激光1次冲击在表层诱导了-625 MPa的残余压应力,影响深度大于1 mm,冲击次数越大,残余应力幅值和影响深度愈大;功率密度和冲击次数显微硬度有较大影响,激光冲击强化后,其显微硬度有大幅度提升,并形成了一定厚度的变形层,增加冲击次数或者增大功率密度都可提高其幅值,在550℃/60 min保温下,残余应力大部分松弛,但是激光冲击强化引起的表层硬化即诱导的微观组织变化具有良好的热稳定性。激光冲击强化提高涡轮叶片高温高低周疲劳寿命达2.4倍。激光冲击强化诱导的残余压应力和晶粒细化是镍基合金疲劳强度提高的主要原因。

TC4钛合金板材激光冲击强化动态应力波传播特性的数值模拟与实验

对广泛应用于飞行器构件上的TC4(Ti-6Al-4V)钛合金,当受到激光冲击强化后的内部动态应力波传播特性建立模型,并进行数值模拟和实验验证。结果表明,实验测试与仿真结果比较接近,证明该文数值模拟的合理性,为后续实验研究提供了理论依据。

激光喷丸与渗铝复合工艺提高K417合金力学性能研究

对渗铝、渗铝后强化、强化后渗铝的K417合金试件分别进行振动疲劳试验。试验结果表明,相对于渗铝处理,强化后渗铝试样的疲劳强度提高了50%,而渗铝后强化试样的疲劳强度提高了30%,这说明渗铝与激光喷丸强化复合工艺可以提高材料的疲劳性能,且强化后渗铝效果更好。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析激光喷丸强化与渗铝复合工艺顺序对材料力学性能的影响,讨论了疲劳性能的改善机理。结果表明,激光喷丸强化促进了渗铝过程,生成大量柱状晶,渗层厚度增加,渗层与基体的结合更加紧密,从而有效提升疲劳性能;而渗铝后强化主要对渗层表面进行了形变强化,疲劳性能的提升有限。

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。

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

基于激光冲击强化LY12CZ航空铝合金的试验,采用显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击诱发的残余应力场进行数值模拟。对模拟中的关键问题,如加载历史、本构关系、网格划分、求解时间等进行了处理。对激光冲击强化后,冲击区表面和深度方向上的残余应力分布特点进行了分析。研究表明,在最佳激光峰值压力下, LY12CZ航空铝合金经激光冲击后,金属表面产生深度为0.5 mm的残余压应力。模拟和试验结果相比,分布规律具有一致性,最大残余应力相差10.2 %。获得的结果将为激光冲击强化过程的控制,和进一步的实验研究提供理论依据。