喷丸对DD412单晶高温合金表面完整性和疲劳性能的影响

为提高涡轮叶片榫头的疲劳性能,研究了喷丸对DD412单晶合金表面完整性和高温疲劳性能的影响规律。采用白光干涉仪、粗糙度仪、显微硬度计、扫描电镜、透射电镜等分别对喷丸前后的表面形貌、粗糙度、硬度梯度、微观组织进行表征,并采用旋弯疲劳试验机测试高温疲劳寿命和极限。结果表明:喷丸后,表面磨削刀痕被消除,显著降低表面微观应力集中系数;试样表层组织发生剧烈塑性变形,并形成深度约0.10~0.32 mm的硬化层。相比未喷丸试样,优化工艺喷丸试样在600℃/500 MPa条件下的旋弯中值疲劳寿命提高21.7倍以上,在600℃下的中值疲劳极限提高了17.3%。经分析认为,喷丸对表面完整性的优化是DD412合金高温疲劳性能提升的主要原因。

激光冲击/机械喷丸复合强化对TC4钛合金外物损伤疲劳性能的影响

针对航空发动机叶片前缘外物损伤(foregin object damage,FOD)后疲劳性能严重下降的问题,采用激光冲击/机械喷丸复合强化对TC4钛合金薄壁试样进行表面处理。采用X射线衍射测量复合强化前后试样表面残余应力梯度分布;通过硬度计预制不同形状的凹坑在试样表面引入FOD,利用电磁振动台测试处理前后TC4钛合金薄壁试样的高周一阶振动疲劳寿命;通过扫描电镜分析疲劳断口形貌;采用有限元动力学数值仿真模拟FOD前后试样表面残余应力分布演化规律,揭示了复合强化层对FOD缺口疲劳性能的影响机制。结果表明:相比未强化的FOD和无FOD试样,复合强化FOD试样的平均疲劳寿命分别提高了370%和60%;复合强化后试样表层形成的深层残余压应力场(厚度500μm)是提高FOD试样疲劳寿命的重要原因。

喷丸表面完整性对K4169合金高温疲劳性能的影响

采用表面粗糙度仪、X射线残余应力测试仪和显微硬度计分别对试样表面粗糙度、表面残余应力分布和硬度梯度等表面完整性参数进行表征,研究不同表面完整性状态对K4169合金缺口旋弯试样高温疲劳寿命的影响规律。结果表明:相比未喷丸试样,喷丸试样在632℃、450 MPa条件下的中值疲劳寿命提高了10.2~43.9倍;喷丸后疲劳源数量降至单个,疲劳源萌生位置由表面转移至次表层。喷丸试样表面形成了高幅值的表面残余压应力(–941~–1023 MPa),并产生了一定深度的硬化层(0.10~0.32 mm),较大的喷丸强度获得了较大的硬化层深度;喷丸消除了试样表面加工刀痕,并显著降低了表面应力集中系数;喷丸改善了试样表面完整性,是疲劳寿命提升的主要原因。

航空航天用钛合金表面工程技术研究进展

钛合金以其高比强度、低密度等优点,被广泛应用于航空航天零件中。然而,钛合金也存在硬度低、耐磨性差、高温氧化抗力差等弱点,表面应力集中敏感导致的疲劳问题也较突出,需利用表面工程技术克服磨损、腐蚀和疲劳3大问题。介绍了近10年来钛合金耐磨涂层、抗氧化涂层与抗疲劳表面改性技术的研究进展,并对技术发展趋势进行了展望,为表面工程技术的科研和工程人员提供参考。

表面完整性对FGH95合金高温疲劳性能的影响

金属构件的加工表面完整性状态对其整体疲劳性能具有显著影响。本工作研究了磨削、磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸4种表面加工集成方法对FGH95合金高周疲劳性能的影响规律。采用表面粗糙度仪、X射线残余应力测试仪和显微硬度计分别对不同复合加工方法试样的表面粗糙度、表面残余应力分布和硬度梯度等表面完整性参数进行了表征;采用旋转弯曲疲劳试验机测试了缺口(应力集中系数Kt=1.7)试样的旋转弯曲疲劳,研究不同表面完整性状态对缺口试样高温疲劳寿命的影响规律。结果表明:相对磨削,磨削+铸钢丸喷丸、磨削+陶瓷丸喷丸和磨削+复合喷丸三种方法均可显著提高试样的高温疲劳寿命;其中,磨削+复合喷丸方法获得了最优的表面残余应力场、硬度梯度、表面粗糙度和高温疲劳寿命增益效果。

孔挤压芯棒导端角对TC17钛合金孔结构表面完整性及疲劳性能的影响

针对TC17钛合金,研究芯棒导端角对孔结构挤压强化效果的影响,表征不同导端角工艺参数下的孔挤压强化后的表面完整性,测试原始及强化试样的高温低周疲劳寿命,分析疲劳断口的形貌特征。结果表明:芯棒导端角对挤压后表面粗糙度有显著影响,挤压过程中孔壁表层金属塑性流动不均匀导致挤压后孔壁残余应力分布不均匀,挤压出口端残余应力幅值最大,且挤压后孔壁具有一定深度的残余压应力梯度场。芯棒过盈量一定时,随着芯棒后导端角的增大,疲劳寿命增大,后导端角为8°时,强化后中值疲劳寿命增益可达1.74倍,强化效果最好,其最小循环寿命为16331次,高于原始试样的最长循环寿命(13965次)。强化后,不同导端角的裂纹起源均由孔壁中部多源型转变为挤压进口端单源起裂特征。

喷丸对TB6钛合金疲劳应力集中敏感性的影响

针对航空用TB6高强钛合金,本工作研究了应力集中条件下喷丸对其疲劳性能的影响规律。采用旋转弯曲疲劳试验机分别测试了两种应力集中系数的试棒的疲劳寿命及极限,采用扫描电镜分析了疲劳断口,采用MTS试验机测试了试棒的拉伸性能,并采用白光干涉仪测试了试样的表面形貌。结果表明:当应力集中系数由K_(t)=1提高至K_(t)=2时,TB6钛合金试棒的疲劳极限从537.5 MPa下降至335.5 MPa,表现出明显的应力集中敏感性。而经过喷丸后,K_(t)=1和K_(t)=2的试棒的疲劳极限分别提高了33.5%和22.2%,缺口敏感性下降了48%。喷丸有利于降低TB6钛合金的疲劳应力集中敏感性。

激光冲击/喷丸复合强化对K4169铸造合金的表面完整性和疲劳性能的影响

K4169合金广泛应用于制造航空发动机静子部件。针对K4169合金高温疲劳性能提升的需求,对旋转弯曲疲劳缺口试样进行了激光冲击/喷丸复合强化处理。对比分析了单一喷丸与复合强化高温疲劳性能,并采用扫描电镜、白光干涉仪、X射线应力测量仪及显微硬度计等仪器分析了试样的疲劳断口、表面三维形貌、粗糙度、表面残余应力和显微硬度梯度,探讨了K4169铸造合金表面强化机制。结果表明,在647℃、450MPa条件下,复合强化表现出比单一喷丸更优异的疲劳寿命提升效果。复合强化后,疲劳裂纹源的数量下降,主裂纹源的萌生位置从表层转移至次表层,疲劳裂纹扩展速率下降。另外,表面微观应力集中系数Kt显著降低,从2.39降低至1.46,表面残余压应力显著提升,从–258MPa提高至–1140MPa,表层形成了深度约0.20mm的硬化层。这些表面完整性参数的变化是疲劳性能提升的重要原因。

表面加工方法对TC4钛合金表面完整性及高周疲劳性能的影响

研究了磨削、一次喷丸、二次喷丸3种表面加工方法对TC4钛合金表面完整性及高周疲劳性能的影响规律,采用白光干涉仪、X射线残余应力测试仪对经不同方法加工的试样的表面形貌、表面粗糙度和表面残余应力分布等表面完整性参数进行了表征。采用旋转弯曲疲劳试验机分别测试了不同方法加工的光滑试样(应力集中系数Kt=1)和缺口试样(Kt=2)的旋转弯曲疲劳S-N曲线。结果表明,相比磨削,一次喷丸和二次喷丸处理后TC4钛合金光滑试样和缺口试样的疲劳极限均显著提高,TC4钛合金的疲劳缺口敏感性下降。另外,二次喷丸的疲劳极限增益效果优于一次喷丸的,原因是二次喷丸在TC4钛合金表面形成了更优的残余压应力场分布和更低的表面粗糙度。

冷挤压强化对GH4169合金孔结构室温低循环疲劳寿命影响

对GH4169合金中心孔板材试样进行冷挤压强化,测试了挤压前后GH4169中心孔板材试样在663 MPa/20℃条件下的低循环疲劳寿命;分别采用扫描电镜、X射线衍射残余应力仪、表面轮廓仪分析了疲劳断口、疲劳过程中残余应力场的演化以及表面形貌。结果表明:冷挤压强化后孔结构的疲劳寿命提高为原始试样的2.6倍。冷挤压强化对孔壁的强化效果使得冷挤压试样疲劳源萌生于倒角处单源,而原始试样萌生于孔壁多源。经过50000周次疲劳实验,冷挤压强化残余压应力有所松弛,但进口端与出口端的表面残余应力分别保持了55%和75%。冷挤压后孔壁表面粗糙度R_a由0.354μm减小到0.297μm。

粉末合金FGH95喷丸强化对高温缺口疲劳性能的影响

为提高粉末合金材料轮盘应力集中结构的缺口疲劳性能,采用铸钢弹丸、陶瓷弹丸和复合喷丸的方法对粉末合金缺口旋转弯曲疲劳试样进行喷丸强化,通过白光干涉表面形貌分析、配合电化学腐蚀的X射线衍射残余应力场分析、显微硬度梯度研究评价喷丸强化层状态;采用高温旋转弯曲缺口(结构应力集中系数Kt=1.7)疲劳寿命进行对比分析。结果表明,喷丸强化在FGH95合金表面形成强化层:表面粗糙度Ra=0.9～1.5μm,Kurtosis值R_(ku)接近3的表面轮廓;表面压应力在–800～–1150MPa,压应力场深度达到120～250μm;相比于基体硬度的480～510HV_(0.2),喷丸后表面硬度上升到575～625HV_(0.2),硬化层深度达到175～250μm。采用首次喷铸钢丸大强度、第二次喷陶瓷丸小强度的二次喷丸工艺方法时,表层残余压应力场数值大,表面硬化程度高且硬化层深度大,表面粗糙度较小且弹坑底部圆滑,疲劳强化效果最佳,550MPa/650℃中值疲劳寿命估计量较原始提高20倍以上。

孔挤压强化对FGH95合金室温及高温疲劳性能的影响

孔是一种典型的应力集中结构。本文研究了芯棒直接冷挤压对FGH95合金试样中心孔的高、低温疲劳寿命的影响规律,并采用扫描电镜、粗糙度仪、X射线应力测量仪及显微硬度计等仪器分析了疲劳断口和孔壁表面完整性主要参数,探讨了FGH95合金孔挤压强化机制。结果表明:相比未挤压试样,孔挤压试样在室温、650MPa的中值疲劳寿命提高了0.9倍以上,而527℃、575MPa的中值疲劳寿命提高了10.3倍以上。分析表明,孔壁经冷挤压后,孔壁表面粗糙度大幅下降,孔壁沿径向形成了一定深度的残余压应力层和组织硬化层,对中心孔试样的室温、高温疲劳寿命的提升具有重要作用。另外,晶界的存在和相邻晶粒的晶体学取向差异会对疲劳裂纹扩展路径产生显著的影响。

激光冲击强化对Ti6Al4V合金表面完整性和四点弯曲疲劳性能的影响

采用扫描电镜、显微硬度仪、X射线应力测量仪及透射电镜等对激光冲击强化Ti6Al4V合金的表面完整性进行了分析,采用MTS疲劳试验机测试了疲劳性能,并采用扫描电镜分析了疲劳断口,探讨了激光冲击强化机制。结果表明:经功率密度为15.9 GW/cm^2的激光处理后,其四点弯曲中值疲劳寿命较未处理试样提高了4.2~23.5倍;激光功率密度越大,试样的中值疲劳寿命越长。激光冲击强化表现出比喷丸强化更优的疲劳寿命增益效果。经激光冲击强化后,Ti6Al4V合金表面形成了深度为600~1400μm的残余压应力场,表面硬度比未强化区域提高了约10%,且亚表层内部的位错密度也有显著提高。

Compositional dependence of microstructure and tribological properties of plasma sprayed Fe-based metallic glass coatings

Gas-atomized powders of three Fe-based glass-forming alloys were sprayed on mild steel substrates by atmospheric plasma spaying using the same spaying parameters. Microstructures, thermal stabilities and tribological properties of the sprayed coatings were analyzed. The coating performances showed a strong dependence on the intrinsic characters of the compositions, i.e., glass-forming ability （GFA） and supercooled liquid region （ATx）. The coatings tended to exhibit higher amorphous phase fraction for the composition with higher GFA and lower porosity for that with larger ATX. All the coatings exhibited superior wear resistance compared with the substrate. Higher wear resistance could be obtained in coatings with higher amorphous phase fraction, i.e. higher GFA of the composition. This study has important implications for composition selecting and optimizing in the fabrication of metallic glass coatings.

表面喷丸处理对NiCrAlYSi涂层恒温氧化行为的影响

采用真空电弧离子镀工艺制备了NiCrAlYSi涂层,研究了NiCrAlYSi涂层表面喷丸处理对其恒温氧化行为的影响。结果表明,喷丸处理工艺可降低涂层表面粗糙度,提高涂层表面致密性和平整性。在恒温氧化过程中,经过喷丸处理后的涂层能减少O原子向内扩散从而避免异常氧化区的出现,同时形成的热生长氧化(TGO)层厚度更加均匀,通过0.4 MPa、5 min喷丸处理后,NiCrAlYSi涂层TGO层厚度生长速率较未喷丸处理涂层降低60%,抗氧化性能得到提高。

激光冲击、喷丸及其复合强化对TB6钛合金表面完整性及轴向疲劳性能的影响

为了提升TB6钛合金旋翼的疲劳性能,研究了喷丸、激光冲击及两者的复合工艺等3种表面强化方法对钛合金表面完整性及高周疲劳性能的影响规律。采用白光干涉仪、X射线残余应力测试仪和扫描电子显微镜分别对加工前后试样的表面形貌、表面残余应力分布和微观组织等表面完整性特征参数进行了表征,并采用疲劳试验机分别测试了轴向应力疲劳寿命和疲劳极限。结果表明,在相同加载条件下,相比磨削试样,采用单一的激光冲击试样的轴向应力疲劳寿命提高了32.2倍,而单一的喷丸和激光冲击+喷丸复合强化的试样疲劳寿命均提高了至少126.4倍。激光冲击+喷丸复合强化表现出比单一的喷丸强化更优的疲劳极限增益效果。

喷丸强化对DD6单晶合金典型力学性能的影响

对DD6单晶合金试样进行喷丸强化后分别采用光学轮廓仪、粗糙度仪、显微硬度计、扫描电镜分析了单晶合金试样喷丸前后的表面形貌、表面粗糙度、硬度梯度以及显微组织。测试了单晶合金喷丸前后在550℃、600℃、650℃和760℃下的缺口疲劳性能、650℃和850℃光滑拉伸性能和650℃/900 MPa条件下的光滑持久性能。结果表明:喷丸强化可去除DD6单晶合金表面的磨削刀痕,喷丸后表面粗糙度为由Ra0.194μm增加到Ra0.904μm。喷丸后单晶合金表面产生剧烈塑性形变,强化层表面显微硬度较基体的450HV提高50%~60%,深度为250μm。喷丸显著提高了DD6单晶合金在550℃~760℃的疲劳性能,疲劳极限提高9%以上。喷丸对DD6单晶合金的拉伸强度、屈服强度、拉伸塑性和光滑持久性能无明显影响。