激光选区熔化TC4合金在HF–H2O2体系的化学抛光研究

采用HF–H₂O₂溶液对激光选区熔化TC4合金进行化学抛光。以抛光前、后试样表面的形貌、粗糙度、光泽度、失重和减薄率为指标,探究抛光时间、H₂O₂浓度对样品表面抛光效果的影响。结果表明,随抛光时间增加,粗糙度逐渐降低,光泽度、失重率和减薄率逐渐提高;随H₂O₂浓度增大,粗糙度先降低后增大,光泽度、失重率和减薄率则先提高后降低。其中,在HF/H₂O₂体积比1:5、时间8 min时,钛合金表面的抛光效果较好,试样表面粘附的粉末完全去除,表面粗糙度Ra达到(3.5±0.3)μm、表面光泽度达到(80.3±0.7)GU,相对于打印态表面(Ra(13.3±0.8)μm、光泽度(0.9±0.3)GU)显著提升。同时也探讨了钛合金在HF–H₂O₂体系的化学抛光机理。     

TB6钛合金抛光表面完整性试验

针对目前TB6钛合金类零件主要依靠手工抛光的技术问题,提出了羊毛毡轮数控抛光工艺,研究了抛光参数对表面粗糙度、表面硬度、表面残余应力的影响,进行了羊毛毡轮抛光参数优化,优选出了一组抛光参数:线速度v_s=19.63m/s,进给速度v_f=300mm/min,预压量a_p=0.5mm,加工行宽w=0.5mm。在此抛光参数下,羊毛毡轮抛光能够有效去除铣削刀纹,抛光后表面粗糙度R_a=0.15μm,并且抛光后表面残余应力为压应力。试验结果表明,该抛光方法能够有效地改善零件的表面完整性。     

不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响

为提升TC17钛合金抗疲劳性能,对其表面进行喷丸处理。通过旋转弯曲疲劳试验、断口分析、残余应力场分析、表层组织分析及喷丸前、后钛合金表面完整性分析等手段,开展不同喷丸强度对TC17钛合金抗疲劳性能影响研究。结果表明：喷丸强化后钛合金表面粗糙度增大,由0.315μm变为0.5～1.0μm;表层发生塑性变形,晶粒发生细化;表面引入残余压应力,残余压应力层深约为125～151μm,最大残余压应力位于层深30μm附近处。0.3 mm·N喷丸状态旋转弯曲试样疲劳寿命优于其他状态试样,在740 MPa和840 MPa应力水平下,分别比未喷丸状态试样疲劳寿命提升4.5倍与7.5倍。疲劳寿命提升归因于试样表层晶粒细化、高密度位错组织及残余压应力对疲劳裂纹萌生与扩展的抑制作用。0.35 mm·N与0.4 mm·N喷丸状态试样疲劳寿命下降与喷丸强度过大时试样表面粗糙度高,并有脱层及微裂纹生成有关。     

喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响

研究了喷丸强化对TC17钛合金表面完整性及疲劳寿命的影响。采用表面粗糙度仪、扫描电子显微镜、X射线残余应力测试仪、显微硬度计等分析了弹丸种类和喷丸强度对表面粗糙度、残余应力场、显微硬度场和微观组织的影响;在旋转弯曲疲劳试验机上测试了喷丸强化后的疲劳寿命,探讨了表面完整性与疲劳寿命的内在联系及作用机制。结果表明:喷丸强化后TC17钛合金表面粗糙度为0.5~1.0μm,残余压应力层为100μm左右,最大残余压应力位于表面下30μm处,表面出现加工硬化,晶粒发生了压缩变形;与未喷丸试样相比,玻璃丸对疲劳寿命的提升幅度最大,陶瓷丸次之,铸钢丸最小。喷丸强化提高疲劳寿命的机制归结于引入较深的残余应力层、较高的表面硬化程度和表层晶粒的细化。     

表面完整性对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的影响

研究了Ti6Al4V钛合金表面喷丸强化及光饰处理后表面粗糙度、表面残余应力和表面层微观组织结构等表面完整性因素的变化及其对高周疲劳性能的影响。结果表明,Ti6Al4V钛合金对表面粗糙度和表面残余应力比较敏感,经喷丸强度为0.10~0.20mmA的强化后,受喷表面的残余压应力和粗糙度持续提高,Ti6Al4V钛合金的疲劳寿命增加值先升高后降低;后续光饰处理使强化后的材料表面粗糙度显著降低,促进了疲劳寿命进一步提高。表面完整性影响因素的平衡与协调对Ti6Al4V钛合金疲劳性能的提高有着非常重要的影响。     

GH4169材料磨削后数控抛光表面残余应力分析

数控抛光能够达到一致性较高的表面粗糙度要求。试验研究了羊毛毡轮数控抛光层数对磨削后GH4169表面残余应力的影响,进给方向表面残余正应力随深度增加先升高后下降,而垂直进给方向表面残余正应力先基本不变后下降,优化抛光层数为3层。针对磨削后抛光工艺,提出了"加强筋"模型,将羊毛毡轮抛光过程分为两个阶段,解释了抛光对表面残余应力的影响机理,并改变抛光参数进行了初步的试验验证。     

TB2钛合金电化学机械抛光试验研究

航天器用星箭连接带的材料为TB2钛合金,对表面质量要求严格。提出电化学–电化学机械组合抛光TB2钛合金的方法,通过机械作用控制表面TiCl4黏性层厚度,设计了固结磨料工具阴极,搭建了电化学机械抛光试验系统。开展了不同组合形式的电化学–电化学机械组合抛光优选试验,研究了电压、工具转速、进给速度等工艺参数对组合抛光后表面质量的影响,最后,在电压25 V、工具阴极转速100 r/min、工具阴极进给速度30 mm/min,电化学抛光1次+电化学机械抛光1次组合形式交替加工15次的条件下,获得了表面粗糙度Ra0.031μm、Sa0.082μm的表面。实现了TB2钛合金薄板零件的连续抛光。     

单层钎焊CBN成型砂轮加工钛合金的尺寸精度和表面完整性(英文)

采用单层钎焊CBN成型砂轮进行钛合金榫头磨削试验。测定了试样尺寸精度,结果表明其达到了航空发动机叶片榫头的加工要求。同时,测定了试样的表面残余应力,表面粗糙度,微观组织和显微硬度,并和陶瓷结合剂CBN成型砂轮加工试样进行对比。在所采用的试验条件下,所有试样获得的都是表面残余压应力,表面加工影响区小于40μm。虽然能从试样表层晶粒的细化观测到塑性变形,但是在距表面100μm范围内未观测到相变发生。相比于陶瓷结合剂CBN成型砂轮,单层钎焊CBN成型砂轮加工试样的表面残余应力和加工硬化程度更小。所有试样的表面粗糙度都在0.8μm以下。     

试样表面应力对钢中残余奥氏体含量影响的探讨

本文着重探讨了试样表面应力对残余奥氏体测试的影响。结果表明:对同一块试样施加应力后测得的残余奥氏体量与经电解抛光、消除应力后测得的残余奥氏体量有差别,试样表面存在应力时比消除应力后的残余奥氏体量低。因此,采用X射线衍射仪测定钢中残余奥氏体时,表面状态很重要,务必经电解抛光后再进行测量,方能获得比较精确的结果。     

刀具磨损对TC11铣削表面粗糙度与残余应力的影响

为了研究TC11钛合金铣削加工过程中刀具磨损对加工表面质量的影响规律,设计了刀具磨损与铣削表面粗糙度、表面残余应力的试验。结果表明:TC11钛合金铣削加工过程中的刀具磨损可以分为:初期磨损、正常磨损、剧烈磨损三个阶段。当刀具处于"初期磨损"时,TC11铣削表面粗糙度随切削时间逐渐减小,铣削表面残余应力也呈减小趋势;当刀具处于"正常磨损"阶段时,铣削表面粗糙度和铣削表面残余应力都呈增加趋势,但增加的速度平稳;当刀具进入"剧烈磨损"阶段时,铣削表面粗糙度迅速增大,表面残余应力也较前两个阶段显著增加。另外,试验过程中的TC11铣削表面残余应力均表现为压应力。     

超声喷丸与传统喷丸对TC4 钛合金残余应力影响的仿真分析

为了预测喷丸TC4钛合金试件的残余压应力层深度及值的分布和冲击面凹坑的直径、深度特征曲线及表面形貌的变化,采用ABAQUS/Explicit软件建立2个3D模型。通过超声喷丸与传统喷丸2种工艺过程数值仿真对比了表面残余应力场差异,分析了TC4钛合金弹丸直径、速度和冲击次数等喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明:当动能相同时,2种强化过程表面所产生的残余压应力是可比较的,超声喷丸模型亚表层残余应力深度为0.16 mm,约为传统喷丸模型深度的2倍;传统喷丸产生的残余压应力最大值约-800 MPa,约为超声喷丸的1.6倍。与传统喷丸相比,超声喷丸具有较低的表面粗糙度以及较深的残余压应力层。残余压应力层深度与弹丸直径呈正相关,但过大的弹丸尺寸会引起薄壁件另一侧残余拉应力区域的增大。     

钛合金平板电子束焊接残余应力数值分析

本文建立了钛合金平板移动电子束热源的焊接温度场和应力场的数值分析模型,针对6mm厚的TC11钛合金平板试件,计算分析3种不同工艺参数的电子束焊接温度场及残余应力分布规律,结果表明对于平板电子束焊接接头,在焊缝及近缝区的很窄的区域内,存在数值接近材料屈服极限的纵向残余应力,焊接工艺不同将会影响残余应力的数值,采用正面焊透加背面修饰的焊接工艺可在一定程度上降低纵向残余应力的数值。      

钛合金叶片前缘的外物损伤残余应力数值分析

为研究航空发动机叶片外物损伤(FOD)位置残余应力的分布规律,根据真实叶片前缘特征设计了模拟叶片,基于Johnson-Cook本构模型,使用LS-DYNA软件仿真分析钢珠以不同角度冲击钛合金模拟叶片前缘的过程,对比仿真与相同试验条件下的空气炮模拟外物损伤试验的FOD损伤形貌与宏观尺寸,验证了有限元模型的正确性。提取仿真计算的不同入射角度对应的FOD位置残余应力分布,结果表明:钢珠以0°角入射时,钢珠冲击产生的接触力和变形能明显大于其他入射角度的情况,说明钢珠偏斜一定角度入射时造成的偏斜型缺口处的材料失效与变形不如外物正撞前缘形成的半圆型缺口严重;在FOD缺口底部尖端靠近入射表面区域存在明显的残余拉应力。随着入射角度的增大,残余拉应力区的范围逐渐扩大,残余拉应力最大值逐渐减小。     

钛合金TC4的超硬磨料柔性抛光轮数控抛光试验研究

航空发动机叶片钛合金材料在数控磨抛加工中容易发生烧伤及黏附现象,针对常用的TC4材料开展了超硬磨料柔性抛光轮数控抛光试验研究。分析了超硬磨料柔性抛光轮抛光参数中转速、进给速度、预压量及行距对抛光去除深度及抛光后试件表面粗糙度的影响规律并通过正交试验分析了各抛光参数影响的主次关系。确认了钛合金试件抛光表面黏附物质成分,并同时分析了表面黏附物的形成原理。给出了TC4钛合金材料在超硬磨料柔性抛光轮数控抛光过程中工艺参数的选择策略,为TC4材料的航空发动机叶片和整体叶盘在超硬磨料柔性抛光轮数控抛光过程中提供理论依据和技术基础。     

基于响应表面法的钛合金零件磨抛加工工艺参数优化

钛合金的化学活性高、热导率低、弹性模量小,是一种典型的难加工材料。随着工业技术的发展,现代工业对钛合金的表面质量提出了更高的要求,因此,对于钛合金磨抛加工这种能够获取高表面质量的加工方法的研究显得非常重要。采用Box-Behnken试验设计方法,进行了工艺参数对表面粗糙度的影响试验,然后基于响应表面法,建立了钛合金磨抛加工表面粗糙度二阶预测模型,并对工艺参数进行了优化。     

Investigation of Surface Integrity on TC17 Titanium Alloy Treated by Square-spot Laser Shock Peening

Laser shock peening(LSP) is an innovative surface treatment method,which has been shown to greatly improve the fatigue life of many metallic components.This work investigates surface integrity of TC17 titanium alloy treated by LSP with innovative square laser spot.Nd:glass laser with duration of 30 ns and spot size of 4 mm×4 mm is applied.The surface morphology and surface residual stress of the TC17 titanium alloy,treated with varying peening parameters such as laser power density and overlapping ratio,have been studied in detail.The results show that laser pulse energy greatly influences surface morphology and surface residual stress around single-spot treated areas,and compressive residual stresses are saturated as laser pulse energy is over 55 J.There are significantly different surface morphologies and residual stress distributions at the overlapped areas with different overlapping ratios.A relative smooth surface is produced with uniform compressive residual stress distribution at an overlapping ratio of 8 %.The experiment of residual stress relaxation is implemented by measuring residual stress at the center of four overlapped spots and by four point bending fatigue test at the frequency of 105 Hz.The compressive residual stresses induced by LSP are found to relax quite slowly under cyclic fatigue loading.     

X射线法测试钛合金结构件残余应力的适用性研究

利用四点弯曲机加载的钛合金板材试样及高应力钛合金标样模拟结构件表面测试状态,研究X射线法测试复杂钛合金构件表面残余应力的适用性。结果表明:表面曲率及β角扫描范围对测试结果影响不显著;径向测试面倾角大于20°时测试重复性急剧变差,超过30°时结果不可使用,轴向测试面测试结果随倾角增大而减小,30°时减小超过20%。     

X射线衍射法测量残余应力的相对误差及不确定度评定

利用原位拉伸机进行单轴连续加载,对X射线法测量钛合金残余应力的应力增量进行验证;依据JJF 1059.1-2012标准,对钛合金高应力标样(-659±35)MPa的测量不确定度进行评定。结果表明,X射线衍射法测得残余应力的增量与理论计算应力增量有较好的一致性,随着应力水平的增加,应力增量的相对误差保持在11%以内。以测量重复性、应力常数K、应力因子M为不确定度分量对测量不确定度进行了评定,所得扩展不确定度为±32 MPa。     

激光喷丸强化TC6钛合金的振动疲劳寿命及断口形貌分析

为了研究TC6钛合金激光喷丸强化(Laser Shocking Peening,LSP)处理后对振动疲劳寿命的影响,采用不同喷丸次数的方法对TC6钛合金进行LSP处理,采用振动疲劳测试系统对振动试样进行振动疲劳测试,用X射线衍射仪和显微硬度计测试LSP前后试样的残余应力和硬度,研究LSP对TC6钛合金振动疲劳性能的影响...