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。     

GH4169材料磨削后数控抛光表面完整性试验研究

针对航空发动机叶片材料GH4169高温合金,采用CBN砂轮磨削后进行羊毛毡轮数控抛光.首先,研究了抛光预压量对抛光轮寿命和工件表面粗糙度的影响,找到了抛光轮寿命的评价方法和优化的预压量;然后,研究了抛光深度对磨削后GH4169表面完整性的影响.结果表明:表面粗糙度Ra随抛光深度的增加先减小后稳定,表面显微硬度HV随抛光深度的增加呈显著下降趋势,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.最终试验优选出了深度参数为2μm,预压量0.5～1.0mm.采用羊毛毡轮对GH4169磨削表面进行抛光,既能达到较小的表面粗糙度值(Ra=0.3μm),又可以有效维持CBN砂轮磨削形成的两个方向较大的表面残余应力.     

GH4169叶片悬臂插磨表面完整性及参数优化研究

利用超硬磨料砂轮进行GH4169叶片型面的精密磨削加工是提高其几何精度的有效手段.通过对GH4169材料进行悬臂插磨试验发现在精磨参数下磨削表面硬度在44～47HRC之间,叶片表面双方向均获得较大的残余压应力,进给方向上的残余压应力大于线速度方向上的残余压应力,且磨削参数对磨削表面硬度和残余压应力的影响不显著.在此基础上,基于磨削表面粗糙度小于Ra0.5μm的要求,提出叶片插磨的参数优化原则,为了降低磨削粗糙度推荐插磨参数:砂轮线速度26.8m/s,进给速度1000mm/min,型面磨削残高2μm;为了减小磨削力引起叶片的弹性变形所造成的加工误差,推荐磨削深度为0.005mm.在推荐参数下所加工叶片的形状精度可达到20μm以内,磨削表面以下没有明显的拉应力层,压应力层深度约为70μm,最大残余压应力位于表面下5μm处.以上研究为GH4169叶片的悬臂插磨工艺提供了一种基于表面完整性的参数优化方法和一组经过优化的精磨参数.     

陶瓷刀具车削GH4169表面粗糙度研究

采用单因素试验法,使用陶瓷刀片进行GH4169高温合金的车削试验,分析了各切削参数对表面粗糙度的影响规律,结果表明:进给量是影响高温合金车削加工中表面粗糙度的最主要因素,其次是切削速度,切削深度的影响最小;切削速度在190～230m/min范围内,进给量在0.1～0.2mm/r范围内,可以保障表面粗糙度在1.2μtm以内;进给运动轨迹构成了试件已加工表面形貌轮廓的主要特征     

GH4169车削过程的热力耦合作用及残余应力场研究

镍基高温合金GH4169是一种拥有优良的机械性能及抗腐蚀能力的耐热合金,被广泛应用于航空航天工程等领域,其切削过程因热力耦合作用产生的残余应力对零件的疲劳性能有重要影响.本文采用GH4169车削试验及Deform-3D仿真模拟相结合的方法,通过试验的切削力和仿真的温度-应变场对残余应力场的形成机理进行研究.结果表明:刀具磨损对主切削分力和车削温度的影响非常显著,在刀片磨钝过程中,主切削分力由538N增大到756N,剪切区温度由552℃增高到654℃,工件表面的应变由3.3升高到3.5;刀具磨损导致切削力和的温度-应变的增大,致使表面圆周和进给方向的残余拉应力峰值由517MPa、242MPa增大到860MPa、442MPa;表层残余压应力峰值-696MPa、-356MPa增大到-756MPa、-456MPa;残余应力层深度由72μm增大到85μm.     

激光辅助高速车削镍基合金GH4169表面质量研究

通过激光加热辅助车削镍基合金GH4169实验,研究激光功率、切削参数等对加工表面质量和切削过程中刀具磨损的影响。实验结果显示:与普通车削相比,激光辅助切削能够改善刀具后刀面磨损情况。激光辅助车削条件下,车削表面粗糙度优于普通切削,并在切削速度为166 m/min时获得最佳值0.467μm。在常规车削和激光辅助车削条件下,车削表面在进给方向上的残余应力均为拉应力,并且激光辅助车削表面产生的残余拉应力都高于常规车削,伴随着激光功率的增加,表面残余应力也逐渐增大。     

镍基高温合金铣削加工的残余应力研究

对硬质合金与陶瓷两类不同刀具分别以低速湿式铣削和高速干铣削方式加工镍基高温合金GH4169时的已加工表面残余应力进行研究.采用X射线衍射法测量铣削后的工件表面残余应力.采用涂层硬质合金刀具在较低铣削速度30～90m/min并浇注切削液的条件下铣削GH4169时,可在工件表面形成残余压应力或相对较小的残余拉应力,对残余应力数据进行统计分析.结果表明,刀具和铣削速度对表面残余应力均有显著影响,而且表面残余应力总体上随着每齿进给量的增加而呈现拉应力增加的趋势.采用涂层Al2O3-SiCw和Sialon陶瓷刀具以较高铣削速度300～1100m/min干铣削GH4169时,工件表面都将形成很大的残余拉应力.镍基高温合金GH4169的精加工更适合采用硬质合金涂层刀具并浇注切削液充分冷却,而陶瓷刀具干铣削则更适合于GH4169的粗加工.     

镍基高温合金GH4169磨削参数对表面完整性影响

研究了用单晶刚玉砂轮磨削镍基高温合金GH4169时,磨削参数对表面完整性中的表面特征(表面粗糙度、表面形貌、表面显微硬度和表面残余应力)的影响,以期优化磨削参数.砂轮速度依次选择15,20,25m/s,磨削深度分别选择50,100,150μm,工件速度分别选择5,10,15m/min.研究结果表明:表面粗糙度对工件速度的变化最敏感,表面显微硬度对砂轮速度变化最敏感,表面残余应力对砂轮速度变化最敏感;同时表明了磨削参数对磨削表面形貌、显微硬度梯度、微观组织、残余应力梯度的影响,揭示了表面完整性中的变质层形成规律.其塑性变形层在5～10μm,显微硬度变化影响层为80～100μm,残余应力影响层厚度为80～200μm,其为磨削镍基高温合金表面完整性控制研究提供相关的实验数据基础.      

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。     

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。     

基于双参数寿命模型的抗疲劳制造结果参量分析方法

为评估抗疲劳主要参量对S-N曲线的作用规律,采用双参数疲劳寿命模型作为分析基础,引入材料本征S-N曲线概念,将制造参量转化为制造结果参量系数,在从理论模型角度系统分析各个参量对寿命曲线的作用规律的基础上,进一步对实验获得的高温合金GH4169在成型机加工、表面完整性机加工和表面高能强化三种制造工艺下的疲劳S-N数据进行疲劳抗力系数M_f和理论疲劳极限S_c对应力集中系数K_t的敏感性进行分析。结果表明:高能强化可显著提高光滑试样和缺口试样的疲劳性能;对于光滑构件或低应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了疲劳抗力系数;而对于高应力集中系数的构件,高能强化对疲劳性能的提高主要表现在提高了理论疲劳极限;此外,利用结果参量系数分析S-N曲线的方法,对于理解抗疲劳制造机理具有重要参考价值。     

直接时效GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能试验

对直接时效GH 4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。分别研究了厚度、温度、应力比等因素对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响。结果表明,在410 mm的厚度范围内,厚度对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展性能几乎没有影响,但厚度为2 mm且应力比为0.1时其裂纹扩展速率稍有下降;应力比对直接时效GH 4169高温合金疲劳裂纹扩展的影响随着应力比的提高逐渐减小;温度的提高对直接时效GH 4169的裂纹扩展速率有明显的加速作用,但是随着应力强度因子范围的增加,其影响逐渐减小,氧化作用是加速其裂纹扩展的主要机理。      

基于冲击阻尼的深孔车削减振 车刀设计

针对内圆车削过程中特别是大长径比内孔车削时,径向力造成工件振动或变形,影响加工精度和表面质量的问题,开展基于冲击阻尼器的减振车刀研究。首先基于欧拉–伯努利梁理论,通过建模仿真开展冲击阻尼机理研究;其次对不同的切削参数与阻尼参数,运用模拟退火算法,优化单侧间隙、恢复力系数等变量,使减振车刀主模态负实部最大化,提升车削稳定性;最后基于冲击阻尼原理设计减振车刀并进行切削试验。试验结果表明,当转速n=400r/min,进给量f=0.1mm/r,切削深度a_p=0.4mm时,内置冲击阻尼器可使长径比为7的内圆车刀径向振动加速度由46.5m/s~2下降到4.0m/s~2;工件表面粗糙度R_a由4.62μm下降到1.95μm。     

TB6钛合金铣削表面完整性试验研究

通过选取3个系列的参数,研究了铣削参数对TB6钛合金铣削表面完整性(表面粗糙度、加工硬化和残余应力)的影响,得出结论:线速度在低于40m/min或高于100m/min时均可得到较低的粗糙度值;进给量是影响粗糙度的主要因素,随着每齿进给量fz由0.04mm/z逐渐上升到0.12mm/z的过程中,粗糙度Ra持续上升,最后达到了0.45μm。随着线速度的增大,硬化率呈逐步下降趋势,而硬化层深度则先保持基本平稳,然后下降的趋势;进给量增大会使硬化程度略微增加;切深的变化对加工硬化影响并不明显。在TB6钛合金铣削过程中,已加工表面均呈现出压应力状态,这说明刀具后刀面与已加工表面的挤光效应对残余应力的产生起主导作用。     

GH4169高温合金端面车削表面变质层的形成机理

利用实验和DEFORM-3D有限元分析相结合的方法,通过分析不同加工参数下切削力、温度和应变场,以及残余应力、显微硬度、微观组织的变化,研究GH4169端面车削表面变质层的形成机理。结果表明:表面变质层的形成是热力耦合作用于材料微观组织的结果;加工强度增大,切削力和切削热增大,表层金属等效应变增大,塑性变形更加显著,金相组织改变越明显,晶粒变形程度越大;在加工参数范围内,温度影响层深度为130~200μm,等效应变层深度为100~220μm,残余应力层为80~110μm,硬化层深度为50~80μm,表面变质层深度为2.5~5μm。     

喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响

为研究喷丸强化对FGH96粉末高温合金疲劳性能应力集中敏感性的影响,采用不同强度陶瓷丸喷丸强化对合金磨削表面进行了表面处理,并研究了疲劳性能和表面完整性状态。研究结果表明:在650℃下,当应力集中系数由Kt=1提高到Kt=1.7时,FGH96合金磨削状态疲劳极限由583MPa下降到465MPa;经过大强度喷丸强化后,Kt=1.7疲劳极限回复到530MPa;小强度喷丸强化对Kt=1.7疲劳极限无增益作用。大强度喷丸强化消除了加工刀痕,表面粗糙度略有增大,引入了深度达到100μm的残余应力场,在600MPa下疲劳源萌生于次表层,呈单源疲劳模式;小强度喷丸强化无法消除加工刀痕,在600MPa下疲劳源萌生于表层,呈多源疲劳模式。结果证明适宜的喷丸强化工艺可以缓解结构应力集中对粉末合金疲劳性能的削弱。     

激光冲击强化7075铝合金熔焊接头的疲劳性能

激光冲击强化（LSP）技术具有残余压应力场深、冷作硬化程度低和强化区域可控等优点,在焊接结构表面改性方面应用前景广阔。对2 mm厚度的7075-T6铝合金激光-电弧复合焊接接头实施了激光冲击强化处理,对比分析了强化前后接头的硬度、残余应力、疲劳寿命以及疲劳裂纹形核机制。结果表明,焊缝中心的最高硬度由强化前的152 HV提高到强化后的175 HV,有效强化层深度约为100 μm;经激光冲击强化后,焊缝区呈现残余压缩应力,最大残余压应力为-200 MPa;9组焊接接头试样的平均疲劳寿命为675 937周,约为强化前疲劳寿命（262 297周）的2.6倍;疲劳裂纹萌生位置从具有高度应力集中的表面缺陷转移至强化层以下的亚表面,进而有效地提高了疲劳裂纹的形核寿命。     

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。     

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。     

基于加工表面完整性的TB6精铣参数优选

TB6高强度钛合金因其优良的比强度和热变形性能被广泛应用于航空领域,是制造直升机旋翼系统主承力结构件和起落架的主要材料.为了使零件获得较佳的疲劳性能,基于加工后的表面完整性指标对其精铣加工参数进行了优选.试验结果表明,每齿进给量fz对加工后的表面粗糙度Ra和表面残余压应力σH有较大影响,随着每齿进给量fz的不断增大,表面粗糙度Ra近似线性增大,表面残余压应力的幅值也随之增大;线速度vc主要影响加工表面显微硬化率,显微硬化率随线速度的增大而降低;径向切宽ae对加工表面残余应力也有较大的影响,随着ae的增大,加工表面残余压应力的幅值逐渐降低.因此,从提高零件疲劳寿命的方面考虑,在满足例如零件表面质量要求和生产效率等各项生产要求的前提下,应尽可能降低铣削线速度,减小径向切宽,提高每齿进给量,适当选择轴向切深.