激光冲击强化对TA15钛合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

采用激光能量30 J、圆形光斑φ4 mm,冲击2次工艺对TA15钛合金小孔结构进行激光冲击强化,研究激光冲击强化对小孔结构残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:激光冲击强化后TA15钛合金表面显微硬度最高达402 HV,相对于母材提高了约9%且冲击硬化层深度为0.8 mm;激光冲击强化后在材料表面引入高达-908 MPa的残余压应力,相比于喷丸强化提高了54%;激光冲击强化残余压应力层深度可达1 mm,明显大于喷丸强化残余压应力层深度0.28 mm,较高的残余压应力可以抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,而较深的残余压应力层有利于降低裂纹扩展速率,延长裂纹扩展寿命。激光冲击强化可有效提高TA15钛合金小孔结构在385 MPa应力水平下的疲劳寿命,相比于未强化试样的疲劳寿命增益在86%~337%,明显优于喷丸强化后疲劳寿命增益。这是由于残余压应力可降低裂纹扩展的门槛值和裂纹尖端的有效应力强度因子,使疲劳裂纹源从孔内壁转移至试样的上/下表面,同时减小疲劳条带间距。

钛合金叶片模拟件激光冲击诱导层裂行为研究

本文针对航空发动机叶片激光冲击诱导层裂问题,根据航空发动机压气机叶片设计具有特征叶型的叶片模拟件(叶面夹角为11°),探究其多次激光冲击下的层裂行为,并进一步利用不同厚度平板试样研究试样厚度以及光斑形状对层裂产生位置的影响。研究结果表明,采用25 J、4 mm方形光斑冲击变厚度TC17钛合金叶片模拟件,冲击面出现凹陷变形,叶片宏观呈现翘曲变形,6次冲击后产生层裂,8次冲击后背面出现局部剥落。激光冲击诱导层裂与试样厚度正相关,随着试样厚度的增加,层裂产生的冲击次数阈值升高。然而,层裂的产生与否却与光斑形状无明显关系,圆形光斑和方形光斑均可诱导出层裂。层裂易产生于Cr和Sn等元素富集形成的软化区,激光冲击诱导层裂不仅与冲击波的传递特性有关,还可能与成分偏析、富集等材料缺陷相关。

金属基复合材料激光冲击高周疲劳行为及增寿机理

为提高金属基复合材料的高周疲劳性能,采用激光冲击强化表面改性处理SiC颗粒增强2009铝基复合材料(SiCp/2009Al)探究其三点弯曲高周疲劳寿命,揭示了激光冲击过程中的残余应力、显微硬度、表面形貌和微观组织等演变规律。结果表明,激光能量为10、20和30 J激光强化冲击后SiCp/2009Al的高周疲劳寿命分别明显提高了131%、259%和182%,其对应的表面残余应力分别为-127.3、-156.0和-168.3 MPa。激光冲击在SiCp/2009Al表面诱导了深度为30μm左右的变形凹坑,表层显微硬度由母材的160 HV提高到180 HV,并出现了大量高密度位错组织。金属基复合材料表层的残余压应力和显微硬度明显得到提高,获得了可观的疲劳寿命增益。

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0.1191、0.1291 mm;冲击叶背面后,位移偏离初始位置减小,分别为0.07108、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56696周次增加到199515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。

激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究

激光冲击强化是一种新型表面改性技术,能够在金属部件表面引入残余压应力提高其疲劳、耐磨和腐蚀性能。研究了不同能量脉冲激光(3,5和7 J)冲击强化对TC17钛合金材料表面形貌和最大塑性变形的影响并通过有限元数值模拟激光冲击强化过程。运用白光干涉仪表征试样表面三维形貌和表面塑性应变,采用有限元数值模拟验证表面塑性应变并研究表面和深度方向残余应力场分布规律。结果表明:实验法和有限元法测定试样表面塑性应变深度具有较高的一致性,3、5和7 J冲击下的最大残余应力分别为136.7、407.6和637.3 MPa,塑性影响层深度从约400μm增加到约1050μm。因此,增加激光冲击能量有益于提高残余应力场的大小和深度。

温度对添加泡沫Cu的TC17-C/C复合材料钎焊接头力学性能和微观组织的影响

以泡沫Cu作为应力缓冲中间层,采用Ag-Cu-Ti合金作为钎料,采用不同的温度真空钎焊C/C复合材料和TC17钛合金。通过剪切试验测试不同钎焊温度下接头的力学性能,并采用SEM、EDS和XRD分析钎焊接头的微观组织。研究表明：当钎焊温度为860℃时,钎焊接头获得最大的剪切强度24 MPa。钎焊后,中间层与母材连接紧密,无界面缺陷。在TC17钛合金侧,Ti元素和Cu元素发生界面反应,依次形成CuTi2、CuTi的反应层;在中间层,Cu和Ti相互结合形成Cu4Ti3金属化合物,还有Ag（s,s）和Cu（s,s）相;在C/C复合材料一侧,Ti和C发生界面反应形成Ti C化合物,改善了钎料对C/C复合材料表面的润湿性能,增强了钎焊接头的连接效果。

激光冲击强化对激光增材TC4钛合金组织和抗氧化性的影响

近年来,激光增材制造技术(3D打印)成为科学研究及工业应用领域的热点。为了研究激光冲击强化对增材制造TC4钛合金性能的影响,本文采用能量为5 J,波长为1 064 nm,脉宽为10 ns,光斑直径为3 mm的脉冲激光对3D打印TC4钛合金进行激光冲击强化,分析了激光冲击强化前后材料的显微硬度、显微组织、残余应力以及高温氧化性能。结果表明,经过激光冲击强化后,材料的显微硬度比激光冲击强化前提高了8%,影响层深度达到0.4 mm,强化区域的晶粒得到细化,位错增多,并产生形变孪晶;激光冲击强化的残余压应力数值高达472 MPa,材料的高温抗氧化性能也得到改善。

激光冲击强化对TC17硬度和拉伸性能的影响

采用脉冲能量为7 J的纳秒激光对TC17钛合金进行激光冲击强化处理。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)对TC17激光冲击的微观组织进行观察,并分别采用显微硬度仪、电子万能材料试验机对材料的显微硬度、拉伸性能进行测试。结果表明,激光冲击强化后,在材料表面形成微塑性变形,在冲击区域近表面形成高密度位错。与基体材料相比,冲击区域的显微硬度提高50 HV,抗拉强度提高56 MPa,屈服强度降低11 MPa。

激光冲击强化Al7050–T7451合金紧固孔的残余应力研究

为研究不同激光冲击强化轨迹对Al7050–T7451合金紧固孔残余应力的影响,改善紧固件疲劳寿命,采用ABAQUS有限元模型和生死单元技术,对Al7050–T7451合金紧固孔开展先强化后开孔和先开孔后强化的残余应力数值模拟试验研究。研究结果表明,4个十字交叉光斑激光冲击强化Al7050–T7451合金表面S;残余压应力数值模拟结果接近试验测试值,先强化后开孔数值模拟结果与试验测试值接近,验证模型正确性。与先开孔后强化相比,先强化后开孔Al7050–T7451合金紧固孔的表面S;残余压应力值更大。与2个横向光斑相比,2个纵向光斑激光冲击强化紧固孔的表面S;残余压应力值更大。与2个光斑相比,4个十字交叉光斑激光冲击强化紧固孔的表面S;残余压应力值更大。研究结果为改善激光冲击强化紧固孔疲劳寿命奠定基础。

激光冲击2050铝锂合金残余应力及疲劳性能研究

激光冲击强化是一种先进的材料表面抗疲劳制造技术,本文采用正交试验方法研究了激光冲击2050铝锂合金表面残余应力分布规律,获得了优化的激光冲击参数,并在此参数下验证了疲劳寿命增益。研究结果表明:激光冲击强化诱导的残余应力与试样的几何特性相关性较强,而激光冲击参数本身搭接率对残余应力的影响大于激光能量、大于冲击次数,最佳工艺参数为激光功率密度5.30 GW·cm^(-2)、搭接率50%、2次冲击。采用此参数冲击后260 MPa和200 MPa应力水平下疲劳寿命分别提高了22%和63%。

激光冲击强化对TC17钛合金微观组织及拉伸性能的影响

分别采用20、25和30 J脉冲激光冲击TC17钛合金,研究其微观组织演变、表面形貌及粗糙度变化、残余应力分布以及室温拉伸性能。研究结果表明:25 J激光冲击强化后,冲击影响层α相晶粒平均尺寸由激光冲击前的11.17μm减小到6.93μm,晶体内部产生高密度位错、孪晶以及层错缺陷,位错密度由冲击前的8.11×10^(13) m^(-2)增加到3.59×10^(14) m^(-2)。20,25,30 J激光冲击强化,试样表面粗糙度减小(0.922、0.537、0.305μm),表面残余应力增大(–213、–296、–774 MPa)。激光冲击强化后TC17钛合金屈服强度提升30～70 MPa,激光冲击强化诱导晶粒细化对TC17钛合金的抗拉强度影响较小。

激光冲击强化对电弧增材2319铝合金微观组织及残余应力的影响

利用激光冲击强化(LSP)与电弧增材制造(WAAM)复合技术,改善增材构件微观组织及应力状态,并研究LSP前后WAAM 2319铝合金的微观组织、显微硬度以及深度方向残余应力分布。研究结果表明,LSP能够减小WAAM 2319铝合金的晶粒尺寸,优化残余应力分布。LSP后,增材构件的平均晶粒直径由冲击前的68.86μm减小到34.32μm,显微硬度由冲击前的67.8HV增大到100.6HV;残余压应力的最大值约为90 MPa,影响深度为0.65mm。

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径Ф4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。

连续激光冲击强化7050铝合金中厚板的过喷效应

基于连续激光冲击强化7050铝合金中厚板的表面完整性和内部层裂,提出了一种激光冲击强化的过喷效应。7050铝合金中厚板尺寸为50 mm×50 mm×5 mm(长×宽×高)。激光工艺参数为激光能量30 J,光斑尺寸4 mm×4 mm,脉宽15 ns和单点连续多次激光冲击(LSP-1~LSP-8)。表面形貌,表面残余应力,深度方向显微硬度和截面微观组织分别用超景深三维形貌仪,X射线衍射仪,显微硬度仪和金相显微镜测试分析。研究结果表明:单点连续5次激光冲击诱导7050铝合金中厚板表面微凹坑凸起高度为197.8μm和山脊高度为130.8μm。从单点连续4次激光冲击到单点连续5次激光冲击,试样表面残余应力由压应力转换为拉应力。单点连续5次激光冲击后,试样背层产生了低显微硬度的加工软化现象。单点连续5次激光冲击为7050铝合金中厚板的层裂阈值。研究结果有益于激光冲击强化工业应用中避免层裂和改善强化效果。