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。

喷丸与CuNiIn涂层复合处理对高温合金榫试样微动疲劳性能的影响

汽轮机叶片榫结构接触部位易发生微动疲劳失效,但行业内仍缺乏有效解决措施,因此开展了不同载荷下不同表面改性技术处理后10705BX铁基高温合金榫结构微动疲劳试验研究。分别对原始未处理(AS)、喷丸处理(SP)及喷丸与CuNiIn涂层复合处理(SC)的10705BX铁基高温合金榫结构试样的微动疲劳性能进行测试分析,在微动疲劳试验前后,对原始、喷丸处理及复合处理后的10705BX铁基高温合金的表截面形貌、断口形貌及力学性能进行表征分析。结果表明:原始、喷丸处理和复合处理试样表面粗糙度Sa分别为0.08、3.38和13.65μm。喷丸处理后表面硬度提高了16%,加工硬化层深度约为80μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了7.8倍。复合处理的涂层平均厚度约为50μm,微动疲劳寿命相较原始试样提高了4.2倍,相比较喷丸处理来说,复合处理后材料的微动疲劳寿命提升较弱。原始、喷丸处理和复合处理试样的裂纹均为多疲劳源萌生,但是喷丸和复合处理后的裂纹源数量明显减少。喷丸处理和复合处理后裂纹的扩展速率均显著提高。喷丸后试样表层获得加工硬化层并且引入残余压应力,主要提升了裂纹萌生寿命。喷丸处理及喷丸与CuNiIn涂层复合处理方法有望成为提升汽轮机叶片服役寿命的重要备选途径。

踏面匹配与初始裂纹形态交互作用下车轮多轴疲劳裂纹扩展特性

地铁车辆车轮裂纹常萌生于车轮踏面及亚表面,亚表面裂纹是影响车轮寿命的关键因素之一。借助有限元仿真方法,在轮轨接触三维模型亚表面处插入初始裂纹,研究了不同轮轨匹配形式、不同初始裂纹形态对亚表面疲劳裂纹扩展特性的影响。结果显示,车轮亚表面3 mm处接触应力数值最大,在锥形、LM型、LMA型三种踏面类型中,采用LM型踏面时车轮亚表面等效应力最大,最容易发生疲劳破坏;裂纹扩展均呈现出多轴疲劳裂纹扩展特性,锥形踏面工况下裂纹的扩展速率高于其余两种踏面类型下的裂纹扩展速率;不同初始裂纹角度中,45°初始裂纹角度是最危险的角度;初始裂纹深度对裂纹的扩展路径基本无影响。本研究结果对车轮亚表面埋藏裂纹缺陷评判及剩余寿命预测有一定的工程及理论指导意义。

16MnR钢不同晶粒尺寸及第二相尺寸对低温冲击韧度的影响

16MnR钢通过三种热处理工艺获得细晶细碳化物、细晶粗碳化物和粗晶粗碳化物三种不同组织,对这三种不同组织的材料进行系列低温(–99～20℃)下的Charpy-V冲击试验。通过冲击韧度比较、断口形貌观察以及断裂微观参数的测量,研究晶粒尺寸和碳化物尺寸对16MnR钢冲击韧度的影响。结果发现,不同微观组织的材料其冲击韧度随温度降低而减小;细晶细碳化物组织比细晶粗碳化物组织和粗晶粗碳化物组织韧脆转变温度低,同一温度下的断裂韧度好,而且晶粒尺寸对韧脆转变温度和断裂韧度值的影响要比碳化物尺寸显著得多。通过断口微观参数的测量得知,韧脆转变温度区的断裂能量主要消耗在裂纹尖端的钝化与塑性裂纹扩展中。韧脆转变低温区,裂纹尖端在钝化过程中吸收大量能量从而韧性陡升。

激光焊工艺对Ti-2Al-1.5Mn钛合金薄板焊接变形的影响

研究了脉冲激光焊工艺对0.8 mm厚Ti-2Al-1.5Mn钛合金薄板焊接角变形和弯曲变形的影响。结果表明:钛合金薄板激光焊变形相对较小,激光功率和焊接速度对焊接变形产生一定的影响,二者可归结为焊接热输入的影响;焊接热输入对焊接弯曲变形的影响较大;当焊接热输入小于425J/cm时,对角变形的影响不明显,当焊接热输入增加到425 J/cm左右时,其对角变形的影响显著增加,而后又趋于缓慢增加。

16MnR钢三点弯曲解理断裂起裂源的类型

通过扫描电子显微镜观察了不同温度(-30～-150℃)下粗晶粗碳化物组织16MnR钢的三点弯曲解理断口,分析了解理断裂起裂源的类型。结果表明:试验条件下起裂源的类型主要为晶界碳化物开裂、夹杂物开裂、较大的碳化物界面分离、球状碳化物与铁素体基体界面分离、晶粒边界开裂;起裂源距塑性裂纹尖端的距离Xf对解理断裂起着决定性作用,并随温度升高呈增大的趋势;起裂源的类型对Xf值没有直接影响。

焊接热循环与动态变形测量系统及其应用

基于非电量测量技术,采用热电偶及位移传感器分别采集焊接过程中的焊接热循环和产生的动态变形位移信号,然后通过采集卡进行模数转换,同时结合计算机人机交换作用,开发了焊接热循环与动态变形测量系统。试验结果表明,该系统能够满足焊接过程的变形测量要求,测量系统精度高,具有一定的通用性。同时,从测量结果可以得出,焊接动态变形曲线具有两个特征值,即下挠最大值点和上翘平衡点。两个特征点很好地反映了焊接加热和冷却过程中的内在特点。

CoCrWSi涂层高温冲击磨粒磨损行为

CoCrWSi涂层由于其优异的耐高温氧化性能,有望成为汽轮机零部件的防护涂层之一。但是关于该涂层在汽轮机真实服役环境中的高温冲击磨粒磨损行为却鲜有报道。以汽轮机阀门部件材料SA-182F92为基体,制备CoCrWSi防护涂层。利用自研的高温沙粒冲击试验机,研究CoCrWSi涂层在沙蚀环境中的高温冲击磨损行为,通过冲击动力学响应和磨痕形貌来评价该涂层的耐冲击磨粒磨损性能。结果表明:CoCrWSi涂层具有耐高温冲击磨粒磨损性能,具体表现为相同冲击次数下,CoCrWSi涂层样品的磨损面积、磨损体积和最大磨痕深度比基体样品小数倍,CoCrWSi涂层样品的能量吸收量和吸收率均小于基体样品。在高温沙粒环境下,冲击的过程中会有大量的沙粒嵌入磨痕表面,沙粒具有的不规则棱角会切削磨痕表面,进而磨痕表面可以观察到大量犁沟。在高温沙粒环境下,基体与涂层的磨损机理为塑性变形和磨粒磨损。不同的是,软化的基体在冲击区域边缘有明显的隆起,发生更严重的塑性变形;而涂层在冲击过程中虽没有完全剥落,但涂层内部萌生了微裂纹,磨痕表面也有部分涂层剥落。研究结果是在模拟汽轮机真实服役状况下得出的,试验参数如加热温度、沙粒(杂质)、摩擦副材料等均依据汽轮机涂层应用的实际工况进行选择,对CoCrWSi涂层在汽轮机零部件上的应用有一定指导意义。

涂层厚度对镀铬锆合金界面结合力和力学性能的影响

研究镀铬锆合金(Zr-4)的拉伸失效行为。通过对拉伸过程的实时观察,研究涂层厚度对界面附着力的影响。使用有限元分析和剪切强度理论定量评估Cr涂层的界面附着力。此外,还研究镀铬样品的裂纹扩展行为。结果表明,随着涂层厚度的增加,界面剪切强度和界面黏附性能下降。然而,对基材的保护作用随着涂层厚度的增加而增加。此外,涂层与基体界面处裂纹扩展的路径也随着涂层厚度的增加而变化。较薄涂层界面处的裂纹很容易扩展到基体中,造成局部损伤。较厚涂层的裂纹更容易沿界面扩展,导致黏合剂失效。

基于多工况拓扑优化的低速永磁悬浮列车构架轻量化设计

通过Simpack动力学仿真软件进行动力学仿真获取某低速永磁悬浮转向架构架各个加载位置的载荷历程,并对这些载荷历程进行处理,挑选出每个工况下每个加载位置时域载荷历程中的最大值,组成极端载荷工况,得到8个工况载荷。随后在ABAQUS有限元分析软件中以这8个工况为加载条件,采用多工况拓扑优化的方法对某低速永磁悬浮转向架的初始构架进行优化,并根据优化结果对该构架进行重构,得到优化后的重构模型,重构模型较初始模型重量下降约12%。最后对优化前后的构架进行静力学分析,分析结果显示,优化后模型的局部优化区域最大应力范围有所降低,多工况拓扑优化能够在实现构架轻量化的同时保证结构的强度。

牵引电机扭矩激扰的机车齿轮传动系统非线性特性

考虑牵引电机扭矩变化和轮轨黏着力波动等外部激励,以及齿侧间隙、时变啮合刚度和传递误差等内部激扰,采用集中质量法建立了某和谐号机车直齿齿轮传动系统的动力学模型。利用数值方法求解了电机扭矩变化时齿轮传动系统的动力学响应。结合分岔图、相平面图、庞加莱截面图、时间历程图、频谱图,分析了电机扭矩变化对系统非线性特性的影响规律,揭示了系统由单周期、多周期到混沌运动的非线性动力学演化机理。

轮轨型面匹配对钢轨亚表面抗疲劳裂纹扩展影响

以标准轮轨型面LMA-60N为对象,分别建立直线运行工况和曲线运行工况下新轮新轨、新轮磨耗轨和磨耗轮磨耗轨匹配关系的6组仿真模型,计算得到钢轨相应的等效应力分布。在焊接钢轨亚表面危险部位引入裂纹并基于Paris理论进行疲劳裂纹扩展寿命分析,以评估轮轨磨耗状态下其型面匹配对钢轨亚表面抗疲劳裂纹扩展能力的影响。研究结果表明:轮轨磨耗对钢轨表面损伤的影响比亚表面的大,且钢轨亚表面2~3 mm深处的裂纹扩展是剪切应力引起的Ⅱ型、Ⅲ型共面剪切型扩展,其深度范围等效应力也最大;直线运行工况更适合新轮新轨型面匹配运行,该型面匹配下钢轨亚表面裂纹扩展速率最慢,扩展寿命最长;曲线运行工况下更适合磨耗轨型面,曲线段磨耗轮与磨耗轨匹配时,钢轨亚裂纹扩展速率最小,扩展寿命最长。

GH4169高温合金激光冲击强化层微观结构和微动疲劳行为研究

目的提高GH4169镍基高温合金的微动疲劳寿命。方法利用激光冲击强化(LSP)技术对GH4169高温合金榫试样进行表面强化处理并研究其微动疲劳性能。借助激光共聚焦显微镜(LCSM)、X射线衍射仪(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)、显微硬度计、X射线应力分析仪、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)及高频疲劳试验机,对激光冲击强化前后的GH4169高温合金的微观组织、硬度、残余应力、微动疲劳寿命、断口形貌和裂纹扩展情况进行分析。结果激光冲击强化后表面硬度提高了17.3%,硬化层深度约为0.63 mm,表面残余压应力为331.5 MPa。经激光冲击强化后变形层中晶粒未发生明显细化,表明激光诱导冲击波主要引起GH4169高温合金中位错的形成而不是位错的运动。在20 kN峰值载荷下,尽管强化后的断裂机制没有发生明显的变化,但是强化后榫试样的微动疲劳寿命比未处理的试样提高了827%,裂纹从多疲劳源转变为单疲劳源,裂纹萌生位置从表面转移到距表面234μm的次表面,激光冲击强化显著提升了GH4169的萌生抗力和扩展速率,扩展区域的疲劳条带间距从未处理的0.50μm增加到了强化后的1.01μm,这可能与残余应力的突变与松弛有关。结论在激光冲击强化后获得硬化层和残余应力场共同影响下,GH4169高温合金榫试样的微动疲劳寿命得到了显著提升。

初始圆形裂纹角度对钢轨埋藏裂纹扩展特性影响

为评估初始裂纹不同倾斜角度对钢轨内部埋藏裂纹扩展寿命和扩展速率的影响,利用Ansys⁃Franc3D在钢轨踏面以下5 mm处分别插入了不同倾斜角度的圆形初始裂纹。研究发现初始裂纹角度对钢轨埋藏裂纹的扩展具有显著影响:钢轨埋藏裂纹的扩展形式是Ⅱ、Ⅲ型复合疲劳裂纹扩展,且以Ⅱ型滑移扩展为主导;以列车运行方向水平面为参考裂纹面逆时针转动,裂纹初始角度为0°~75°时,随着角度的增大,裂纹起始扩展驱动力ΔK_(eq)先增大后减小,裂纹平均扩展速率同样先增大后减小,裂纹扩展寿命先减小后增大;这表明45°是钢轨埋藏裂纹最危险的角度,此角度下裂纹扩展最快,剩余寿命最短,水平裂纹是相对最安全的角度;初始裂纹角度对裂纹扩展的影响本质上是对裂纹起始扩展驱动力ΔK_(eq)的影响,裂纹起始扩展驱动力ΔK_(eq)越大,其平均扩展速率越大,剩余寿命越短。

汽轮发电机检测机器人磁吸附单元设计与优化研究

为提高检测机器人的吸附性能并降低机器人的重量,本研究采用有限元仿真、数值拟合和人工蜂群算法对永磁吸附单元进行了设计与优化。设计了3种不同的磁路,利用Ansoft Maxwell仿真软件分析了不同磁路的吸附性能,结果表明,与传统H形磁路相比Halbach磁路具有更优异的性能,对于Halbach阵列,当永磁体宽度、厚度一定时,随着垂直磁化永磁体长度的增大,磁吸附力先增大后减小。利用人工蜂群算法对磁路进行了参数优化,参数优化后的磁吸附单元体积减小,单位质量磁吸附力增大。基于机器人本体开展功能验证实验,实验结果证明爬壁机器人能在任意工作位置下稳定运行。

基于全场法的航空用Ti-2Al-1.5Mn钛合金疲劳裂纹扩展各向异性研究

准确定量表征航空用重要承载结构材料抗疲劳裂纹扩展能力是评估结构件服役寿命的基础。本研究针对航空用Ti-2Al-1.5Mn钛合金,沿着板材不同取向制备CT试样开展疲劳裂纹扩展速率试验,分别基于全场法及传统方法定量表征了裂纹扩展各阶段应力强度因子幅ΔK。结果表明:疲劳裂纹扩展速率da/d N-ΔK关系及裂纹扩展路径显著受到材料取向的影响。相比于传统表征应力强度因子幅方法,全场法一方面能够直接考虑裂尖塑性变形引起裂纹闭合的影响,另一方面能够有效避免因裂纹扩展路径偏折带来的有效裂纹长度测量偏差,从而能准确获取有效应力强度因子幅。基于全场法的疲劳裂纹扩展应力强度因子幅表征具有广泛应用前景。