激光冲击强化对FV520B钢疲劳寿命的影响

为提高叶轮的使用寿命,对叶片的抗疲劳性能提出了更高的要求,激光冲击强化(LSP)处理是提高材料抗疲劳性能的重要途径。针对FV520B钢棒状试样进行LSP试验和不同应变幅值下的单轴低周疲劳试验,并进行疲劳寿命预测。结果表明,LSP后试样的表面硬度由330 HV提升至490 HV,且LSP后试样表面产生约−90 MPa的残余压应力。相比于未冲击试样,LSP试样的疲劳寿命均有所提高,±0.5%应变幅值下试样的疲劳寿命提高132.2%。SEM结果表明,LSP后试样表面产生的残余压应力抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,裂纹萌生位置由试样表面向次表面转移,且疲劳条纹的间距和韧窝尺寸减小,从而延长了试样的疲劳寿命。采用Manson-Coffin方程针对光滑试样和LSP试样进行疲劳寿命预测,总的来说,对于光滑试样预测结果与试验结果吻合较好;对于LSP试样,预测的疲劳寿命偏保守。考虑残余压应力的影响针对Manson-Coffin方程进行修正,得到了较好的预测结果。研究结果可为FV520B材料LSP处理工艺和疲劳失效研究提供理论依据。

激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99组织及性能的影响

目的解决镍基单晶高温合金航空发动机涡轮叶片在服役时发生表面损伤的问题,探究激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99的强化变形机制。方法采用高功率(8J)短脉冲激光分别对试样进行1、2、3次表面强化,使用白光干涉仪、显微硬度仪、X射线分析仪对强化前后的镍基单晶高温合金试样表面形貌、粗糙度、显微硬度、残余应力进行测试,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪分析激光冲击强化对镍基单晶高温合金微观组织和物相组成的影响。结果经过1、2、3次激光冲击后,单晶高温合金试样表面发生了塑性变形,表面凹坑随着冲击次数的增加逐渐加深,表面粗糙度分别为1.566、1.868、2.265μm,显微硬度分别增加了15.3%、25.8%、32.1%,表面残余压应力分别提高为–790、–870、–917MPa。经强化后,试样表层形成了畸变层,γ′相的面积和体积分数均增大,合金未发生相变,但两相发生了严重的晶格畸变,晶格常数和晶面间距的变化导致两相晶格发生失配,经强化后在试样表层γ′强化相、γ通道、γ/γ′界面观察到大量位错结构,此外还观察到贯穿γ′相、γ相的位错滑移带和致密的位错网络。结论激光冲击强化技术可使镍基单晶高温合金SRR99发生塑性变形,在其表层内部形成高密度位错网络结构,加工硬化效果显著,提高了基体表面的显微硬度和残余应力。

激光冲击强化对外物损伤叶片前缘的疲劳强度影响研究

为研究激光冲击强化对某型离心叶轮外物损伤后疲劳强度的影响,设计了反映真实叶片前缘部位的特征模拟件,并结合空气炮法模拟外物损伤,对比有/无激光冲击强化模拟件的高周疲劳试验结果,发现经激光冲击强化处理后,模拟件的疲劳强度提高约37%。同时,开展了激光冲击强化以及外物损伤后的残余应力/应变场数值仿真,结合Kitagawa-Takahashi(K-T)图法建立了考虑外物损伤与激光冲击强化的疲劳强度预测方法,与试验结果相比平均误差为7.3%,验证了方法的有效性。

TC21钛合金回转体部件激光冲击强化残余应力数值模拟研究

针对某型飞机机身用TC21钛合金回转体部件激光冲击强化残余应力分布问题,采用有限元数值模拟方法系统研究了搭接率、激光能量、冲击次数对其径向、周向及轴向残余应力分布的影响。研究结果表明,激光冲击强化对残余径向应力几乎无影响,仅对周向和轴向残余应力影响明显。低搭接率激光冲击下回转体芯部存在明显的应力集中,但会随着搭接率的增加而改善。激光冲击在回转体内部诱导的残余应力层深度对激光能量和搭接率不敏感,仅在提高冲击次数时出现一定的增加。TC21钛合金回转体部件最佳激光冲击强化工艺应选用50%搭接率和2次冲击,但激光能量需要根据部件的实际服役应力情况而定。

激光冲击强化对ZL205A铝合金组织及性能的影响

目的研究激光冲击强化处理对ZL205A铝合金表面完整性和力学性能的影响规律,改善材料的残余应力状态,提高材料的力学性能。方法利用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪对激光冲击前后试样的表面形貌与微观组织进行分析,通过显微硬度、纳米压痕和拉伸性能测试方法,对ZL205A铝合金激光冲击处理前后试样的硬度、纳米硬度和拉伸性能进行评价。结果ZL205A铝合金经过激光冲击处理后,表面粗糙度增加至(3.798±0.46)μm,同时在表层形成深度约为5μm、平均晶粒尺寸为100nm的纳米级晶粒,形成梯度结构。在基体表层引入了较大的残余压应力,最大残余应力达到–140.2MPa,表面显微硬度由(146.6±5.64)HV0.1增加至(173.8±8.87)HV0.1,经过纳米压痕测试可知,材料截面最大弹性模量为2.49GPa,极限抗拉强度、屈服强度、延伸率均增加,材料的力学性能得到提高。结论激光冲击强化处理使ZL205A铝合金表层发生塑性变形,细化了表层晶粒组织,提高了ZL205A铝合金基体的残余压应力、显微硬度、弹性模量,并有效提高了ZL205A铝合金的力学性能。

激光冲击强化后航空发动机疲劳寿命精准度量研究

激光冲击强化可以提升航空发动机表面强度、增强材料韧性。然而,航空发动机处于复杂的工作环境,疲劳寿命受到多个因素的影响。尤其是在激光冲击强化后,材料性能参数变化较大,导致航空发动机疲劳寿命度量难度增加,因此,提出激光冲击强化后航空发动机疲劳寿命精准度量方法。首先,分析航空发动机激光冲击强化工作原理,根据疲劳损伤理论与Von-Mises屈服准则建立航空发动机疲劳损伤函数。然后,结合疲劳损伤函数与灰色关联度分析法对影响发动机疲劳寿命的多因素展开权值分析得到航空发动机疲劳指标,从而实现航空发动机疲劳寿命的精准度量。实验结果表明,所提方法能够实现对航空发动机疲劳寿命退化轨迹的精准监测,可以精准分析发动机表面疲劳寿命的分布情况,说明该方法的航空发动机疲劳寿命度量结果更为精准。

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。

连续激光辅助激光冲击强化后TC4钛合金板的残余应力分布

对TC4钛合金板进行不同功率(40~100W)连续激光加热背面辅助脉冲激光冲击正面的强化处理,通过与未强化和传统激光冲击强化试样进行对比,研究了连续激光辅助冲击及连续激光功率对试样温度、物相、硬度和深度方向残余应力分布的影响。结果表明:随着连续激光功率增大,连续激光辅助激光冲击强化试样背面温度呈线性升高,正面温度升高但趋势变缓并趋于平稳,且温度升高未引发TC4钛合金相变;相较未强化和传统激光冲击强化试样,连续激光辅助激光冲击强化试样的正面硬度、表面残余压应力和残余压应力影响层深度增加;试样硬度不受连续激光功率影响,但残余压应力和残余压应力影响层深度随连续激光功率增加呈先增加后减小的趋势,当连续激光功率为60W时达到最大,分别为431.4MPa,470μm。

多点激光冲击强化50CrVA合金钢残余应力场的数值模拟

基于ABAQUS/Explicit软件模块的显示动态分析方法,建立50CrVA合金钢激光冲击强化的有限元模型,对单点圆形光斑下松弛持续时间的收敛性进行研究,确定松弛持续时间,采用有限元模拟方法研究了圆形光斑多点激光冲击强化后冲击区域的残余应力分布,并与试验结果进行对比;采用该模拟方法分析了圆形和方形光斑单点激光冲击强化过程中应力波的分布与强化后残余应力的分布,以及多点激光冲击强化时激光功率密度、光斑形状对残余应力场的影响。结果表明:确定的松弛持续时间为0.0001 s;模拟得到圆形光斑多点激光冲击强化后残余压应力随深度的增大而减小,变化趋势与试验结果基本吻合,最大残余压应力的相对误差为6.8%,验证了有限元模型的准确性;在相同能量输入条件下,光斑的形状不会影响单点激光冲击强化后的残余应力场;随着平均激光功率密度的增加,最大残余压应力均增大;方形光斑多点激光冲击强化后的最大残余压应力(704 MPa)略高于圆形光斑多点激光冲击强化(692 MPa),方形光斑和圆形光斑多点激光冲击强化后的表面残余应力波动率分别为10.9%,12.9%,方形光斑多点激光冲击强化后的残余应力分布更均匀。

飞秒脉冲激光冲击强化中等离子体压力时空演化规律

为研究飞秒脉冲激光冲击强化中等离子体压力时空演化规律,利用考虑电子态密度(DOS)效应的模型计算了电子热容和电声耦合系数随电子温度的演化规律,并与采用QEOS(quotidian equation of state)模型计算结果进行了对比;提出DOS飞秒脉冲激光冲击强化模型,计算得到电子温度、晶格温度、等离子体羽位置时间演化规律和等离子体压力时空演化规律,并与QEOS飞秒脉冲激光冲击强化模型结果进行了对比。结果表明:DOS飞秒脉冲激光冲击强化模型计算得到的等离子体羽位置随时间的演化规律与实验结果吻合程度更好;增加激光能量或功率密度、考虑电子DOS效应会增加电子、晶格温度和等离子体压力。

2A12铝合金方形光斑激光冲击强化残余应力场研究

为了分析以2A12铝合金为代表的航天铝合金在激光冲击强化后表面和内部残余应力的分布,采用数值模拟的方法对2A12铝合金进行了方光斑激光冲击强化后的残余应力场计算,得到了不同激光参数下的残余应力场分布曲线。研究发现,在脉冲宽度为10 ns、光斑尺寸为4 mm的固定参数下,单光斑激光冲击强化在峰值压力为1800 MPa时残余应力分布最优,最大残余应力值为-242.1 MPa。冲击强化两次获得了最佳残余应力分布,其残余应力最大值为-403.8 MPa。此外,在多光斑激光冲击强化中,利用60%的光斑重叠率可以在表面和深度方向上产生最佳的残余应力分布。本模型模拟结果与已有实验数据吻合较好,可为实际方形光斑激光冲击强化铝合金实验提供理论指导。

不同波长激光冲击强化力学效应数学模型构建

为实现更好的强化效果,克服强化后表面形貌不够均匀等问题,设计不同波长激光冲击强化的力学效应数学模型。使用Johnson-Cook模型构建金属构件的材料本构模型,对基础材料模型加载激光冲击波压力,以激光冲击强化原理为依据,构建不同波长下的构件激光冲击强化有限元模型。基于构建的有限元模型,探究材料的动态屈服强度与构件材料的雨贡纽弹性极限之间的关系,构建应变与冲击波峰值压力之间的理论模型,根据该模型表示激光冲击强化产生的残余压应力,完成不同波长激光冲击强化力学效应数学模型的构建。测试结果表明,基于该模型强化后,实验构件表面形貌整体比较均匀,凹坑深度较小,过光斑中心直线上构件材料表面位移变化区间在[-0.4,0.5]之间,说明设计模型性能较好,具有实用性。

无涂层激光冲击强化对40CrNiMo结构钢摩擦磨损性能的影响

目的 采用无涂层激光冲击强化技术诱导残余压应力和细化晶粒,提高40CrNiMo结构钢的显微硬度及耐磨性。方法 采用高功率激光束对40CrNiMo结构钢表面进行激光冲击强化处理,通过显微组织观察、XRD检测、显微硬度测试、残余应力测试、摩擦磨损实验及磨损形貌观察,对比分析未处理试样、有涂层激光冲击强化处理试样和无涂层激光冲击强化处理试样的显微组织、显微硬度、残余应力和摩擦磨损性能。结果 在有/无铝箔涂层、去离子水约束层作用下分别对40CrNiMo结构钢试样进行有涂层/无涂层激光冲击强化处理,诱导产生残余压应力和晶粒细化,试样表面显微硬度分别提高至313.5HV和336.9HV,提高了约13.5%和21.9%,表面最大残余压应力达到-405.3 MPa和-326.6 MPa;有涂层激光冲击强化处理试样的摩擦因数较稳定,降低了约14.1%,而无涂层激光冲击强化处理试样的摩擦因数出现较大波动,在摩擦磨损前期,摩擦因数降低了22.9%;在摩擦磨损中后期,摩擦因数降低了7.9%。未处理试样的磨损量为13 mg,有涂层激光冲击强化处理试样和无涂层激光冲击强化处理试样的磨损量分别为6mg和8mg,减少了约53.8%和38.5%。结论 与有涂层激光冲击强化相比,无涂层激光冲击强化对40CrNiMo结构钢耐磨性能的强化效果较差。由于无涂层激光冲击强化无需涂覆涂层就能够进行激光冲击强化处理,因此可以有效提高加工效率、节省涂层成本,同时在一定程度上也提高了40CrNiMo结构钢的显微硬度和耐磨性。

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。

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。

飞秒激光冲击强化技术的研究现状及展望

作为一种微尺度范围内的表面强化技术,飞秒激光冲击强化具有热影响小、冲击深度浅、能量利用率高、工艺灵活等特点,在实现复杂形状微结构表面改性、宏观尺度零件表面微造型、微冲击成形等方面应用优势显著。概述了飞秒激光冲击强化技术的发展历程,总结了冲击模式、激光参数、附加能场等因素对强化效果的影响规律和机理,并对飞秒激光冲击强化技术的潜在应用及发展趋势进行了展望,以为突破飞秒激光冲击强化的关键问题、推动技术的产业化应用提供必要的指导与支持。

激光冲击强化过程监测及其质量在线评估:现状与挑战

激光冲击强化(Laser shock peening,LSP)是一种新型抗疲劳延寿制造技术,可应用于航空发动机关键零部件。现有LSP离线检测方法存在“质量盲区”的问题,为提高LSP加工质量的一致性、可靠性和稳定性,有必要开展LSP过程多源信息的精确感知和靶材表面完整性在线评估研究。从LSP瞬态高能过程所释放的两类重要物理信息入手,即激光诱导等离子体冲击波(Laser induced plasma shock wave,LIPSW)和激光诱导等离子体光谱(Laser induced plasma spectroscopy,LIPS),分别综述了LSP动态过程两类信息监测感知的研究现状,以及多源信息融合(Multi-source information fusion,MSIF)技术在LSP领域的研究进展。最后探讨了亟待解决的科学问题和现存的挑战。

激光冲击强化对FGH4098合金疲劳裂纹萌生和扩展影响研究

金属材料表面进行激光冲击强化(LSP)对其疲劳裂纹萌生和扩展性能具有显著影响。本文对粉末高温合金FGH4098进行激光冲击强化,测定了强化层的显微硬度、残余应力、微观结构,结合室温三点弯曲疲劳试验和应力强度因子计算,研究了LSP前后粉末高温合金FGH4098在不同载荷下的疲劳裂纹萌生和扩展行为。结果表明:LSP可以明显提高FGH4098疲劳寿命,不同载荷水平下,LSP处理后的试样疲劳寿命分别提高40%和476%,且在较低水平载荷下抗疲劳效果更加明显;LSP改变了FGH4098合金疲劳裂纹萌生和扩展机制,裂纹萌生位置和扩展方向明显变化;LSP明显提高了FGH4098合金的疲劳裂纹萌生寿命,但残余应力松弛和LSP引起的加工硬化可能导致了疲劳小裂纹扩展速率加快。

激光冲击强化对焊缝组织性能影响的研究进展

激光冲击强化(LSP)是一种典型的非弹丸撞击式表面强化技术,可有效提高金属材料的抗疲劳能力、抗腐蚀能力、金属耐磨性能和使用寿命,具有应变率高、效率高、强化效果好等优点。焊缝质量直接影响了焊接件的合格率,而焊缝强化一直是一个比较难的挑战。首先,介绍了激光冲击强化的加工原理,总结了激光冲击强化的影响参数及条件,包括激光功率密度、约束层和吸收层、激光冲击次数、光斑搭接率以及激光脉宽。控制强化工艺参数可以使焊缝显微硬度提升50%、残余压应力提升65%以上,大幅度提升抗拉强度,降低疲劳裂纹扩展。其次,综述了国内外研究人员运用激光冲击强化技术对不同材料焊缝强化的研究与应用,重点论述了激光冲击强化对焊缝力学性能和显微组织的显著强化效果,与未强化试样对比,强化后试样的各项性能明显提升。其中针对力学性能,详细分析了显微硬度、残余应力和疲劳裂纹扩展的变化情况,结合残余应力的理论研究、仿真分析、试验论证以及显微组织变化情况,认为激光冲击强化导致马氏体组织发生了碎化,提高了硬度,产生了残余压应力,引起了晶粒细化,进而有效控制了疲劳裂纹扩展,阻止了裂纹产生,提升了疲劳寿命。通过激光冲击强化不同工艺参数的协同作用,可以获得较高的残余压应力和硬度,引起动态再结晶、晶粒细化等微观组织演变以及位错运动,使焊缝力学性能和显微组织产生相互影响。分析认为,激光冲击强化技术是焊缝强化的有效焊接后处理工艺。最后,展望了激光冲击强化技术在焊缝强化领域中的应用前景。

TC4钛合金表面激光冲击强化-微弧氧化涂层的组织和性能

通过激光冲击强化(LSP)在TC4钛合金表面制备细晶粒过渡层,再采用微弧氧化(MAO)制备LSP-MAO复合涂层,研究TC4钛合金表面MAO涂层及LSP-MAO复合涂层的显微组织、相结构、显微硬度和耐磨性。结果表明:激光冲击强化处理后,TC4钛合金衍射峰变宽,表层晶粒明显细化。与MAO涂层相比,LSP-MAO复合涂层表面的孔径更小,表面更加平整,显微硬度和强化层深度有所增加,其中激光冲击2次时显微硬度最高,达到636.3 HV0.025(距离表面30μm处),其强化层最大深度达到390μm。LSP-MAO涂层的耐磨性均优于MAO涂层,其中激光冲击强化2次时LSP-MAO复合涂层耐磨性最好。