一种利用水下激光冲击处理涡轮叶片残余应力的方法

为提高涡轮叶片疲劳寿命,探索了一种利用水下激光冲击强化方法处理涡轮叶片残余应力的技术。利用波长532 nm、脉宽10 ns、能量1.2～1.5 J、光斑直径1.0 mm的YAG激光器,对涡轮叶片榫齿部位进行了激光冲击强化处理。结果表明,水下激光冲击强化方法能有效消除、调整机械加工残余应力。当激光功率密度大于2.5 GW/cm~2且小于7.5 GW/cm~2时,随着功率密度的增加,表面残余应力也相应增加;当功率密度大于10.0 GW/cm~2后,表面残余压应力随功率密度的增加而明显降低;功率密度等于7.5G W/cm~2时,表面残余应力为-419.5 MPa,为最佳。     

TC4钛合金激光冲击强化数值模拟

采用连续显式动态冲击策略对航空用TC4钛合金进行激光冲击强化数值模拟研究。根据冲击波能量变化曲线确定单次冲击求解时间为3 000 ns,并分析了应力波传播过程。在此基础上开展多点冲击模拟,分析了功率密度、冲击次数和光斑搭接率对残余应力、应变场的影响。得出增加功率密度对增大表面残余压应力的效果更好;增加冲击次数对增大残余压应力影响深度的效果更好;50%光斑搭接率有效地避免了冲击不均匀和搭接空隙现象。实验和仿真所得的试件表面残余压应力变化趋势相同,数值大小基本吻合。冲击1、3次时,两者的误差分别为4.1%、2.6%,说明仿真结果具有一定的参考意义。      

喷丸强化残余应力场三维数值仿真分析

建立了喷丸强化三维有限元模型,实现了喷丸强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式动力分析各种能量变化过程,确定了显式分析求解时间选择方法;研究了喷丸速度、弹丸直径、入射角度及摩擦力等因素对喷丸残余应力场影响的一般规律,并与现有相关文献试验结论进行对比;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布及塑性应变分布特点;建立了不同数目的多丸粒喷丸强化三维有限元模型,研究不同覆盖率对残余应力场分布的影响规律。数值分析结果表明,喷丸速度、弹丸大小、入射角度对残余应力场分布有显著影响。冲击次数对残余应力幅值影响小,但等效塑性应变增加明显。喷丸覆盖率的增加会显著改变残余应力场,并使残余应力场分布更加均匀,但残余压应力幅值与喷丸覆盖率没有必然相关性。     

激光冲击残余应力场的有限元分析

建立模拟激光冲击残余应力场的非线性弹塑性有限元模型,预测AISI 304奥氏体不锈钢厚、薄靶材经激光冲击后表面以及内部的残余应力场分布.模拟过程中,考虑材料高应变率(106s-1)下的力学性能和激光诱导冲击波的精确加载,分析激光功率密度、激光光斑尺寸、激光脉宽、激光冲击次数、激光单面与双面冲击等激光冲击参数以及初始残余应力等因素对不锈钢靶材残余应力分布的影响.数值模拟结果与X射线衍射法测量值吻合较好.在有初始残余拉应力(250MPa)存在的情况下,激光冲击仍能使304奥氏体不锈钢靶材形成残余压应力层,说明激光冲击工艺可提高奥氏体不锈钢焊接构件的抗应力腐蚀开裂能力.     

激光冲击强化提高外物打伤钛合金模拟叶片高周疲劳性能

为指导钛合金叶片抗外物打伤激光冲击强化工艺设计,根据真实叶片叶型特征设计了刃口型模拟叶片,采用两种激光冲击强化工艺对模拟叶片进行预处理,并采用空气炮系统进行外物打伤模拟试验,最后通过疲劳试验和应力场预测进行疲劳性能影响规律及机理分析。试验结果表明:模拟叶片外物打伤后疲劳强度由51845 MPa降为29072 MPa,而激光能量为5 J和7 J强化工艺下疲劳强度分别提升至34449、37493 MPa。激光冲击引入高数值残余压应力场,大大改善了外物打伤区域的局部应力场分布,在显著提高外物打伤模拟叶片疲劳强度的同时,可承受更大的应力集中,也增大了疲劳缺口系数偏差。两种强化工艺中激光能量越大,产生的残余压应力场数值和深度越大,更加有效地降低裂纹扩展过程中的等效应力强度因子幅值,外物打伤模拟叶片疲劳强度和疲劳缺口系数偏差提高程度越大。      

TC17钛合金激光喷丸应力场及支持向量机应力热松弛模型

对TC17钛合金进行了不同功率密度下激光喷丸强化,使用X射线衍射仪测试了激光喷丸冲击波诱导的残余压应力场的分布,测试了不同温度真空保温下残余压应力的热松弛规律,最后基于支持向量机理论建立了残余压应力热松弛预测模型,并用试验结果对模型进行验证.研究表明:TC17钛合金在功率密度为4GW/cm2时表层残余压应力场最佳;残余压应力在280℃和450℃真空保温150min后分别有11.24%和27.11%的松弛;在280℃和450℃交替保温160min后应力松弛33.9%;残余压应力在试验温度保温160min后有大部分剩余,可以有效提高TC17钛合金抗疲劳性能、基于支持向量机的预测模型能够较精确的表征TC17钛合金的应力松弛规律,满足工程使用要求,对其他材料表层残余压应力热松弛分析具有借鉴意义.      

航空齿轮激光冲击强化残余应力场仿真计算研究

对高强度航空齿轮齿根激光冲击强化数值仿真计算进行研究,提出激光冲击压力的数值计算方法,建立考虑激光入射角度的航空齿轮单齿的激光冲击强化有限元模型。仿真计算齿根处表层齿宽方向残余应力平均值为–603.97 MPa,与试验测得的齿轮齿根处表层齿宽方向残余应力数据平均值相差0.15%。通过仿真试验,揭示了齿轮齿根区域残余应力分布与激光脉冲能量、搭接率以及光斑半径之间的关联规律。结果表明,同深度层、齿宽方向残余压应力平均值大于齿廓方向残余压应力平均值。提高激光脉冲能量或搭接率均可提高表层残余压应力平均值,但提高激光光斑半径会降低表层残余压应力平均值;提高激光搭接率可以有效降低表层残余应力分布中的应力起伏现象,但过高的搭接率会大幅降低强化工艺效率,实际搭接率不应超过0.8。     

喷丸强化残余应力场三维数值分析

建立了喷丸强化三维有限元模型,实现了喷丸强化处理残余应力场的数值模拟.根据显式动力分析各种能量变化过程,确定了显式分析求解时间选择方法;研究了喷丸速度、弹丸直径、入射角度及摩擦力等因素对喷丸残余应力场影响的一般规律,并与现有相关文献试验结论进行对比;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布及塑性应变分布特点;建立了不同数目的多丸粒喷丸强化三维有限元模型,研究了不同覆盖率对残余应力场分布的影响规律.      

7050凹槽铝板激光冲击强化残余应力分布与疲劳寿命

激光冲击强化（LSP）是改善结构疲劳性能的重要手段，传统数值模拟方法很难模拟复杂结构的多点冲击强化过程。本文利用一种连续动态冲击方法对7050凹槽铝板进行激光冲击强化数值模拟，得到了冲击后稳定的残余应力场，并与试验测量的残余应力相对比，验证了该方法的精度与较高效率。运用4种基于临界平面法的应变模型，最大正应变模型、最大剪应变模型、BM模型和SWT模型分别对未强化件和强化件进行疲劳寿命预测。完成了激光冲击强化件和未强化件的疲劳试验，得到其疲劳寿命。结果表明：寿命预测值与试验结果吻合较好；对未强化件进行平均应力修正后，前3种模型误差分别为31.2%、22.6%和40.7%，而SWT模型的计算结果过于保守；对强化件进行最大正应力修正后，前3种模型误差分别为1.84%、24.0%和46.4%，而SWT模型的计算结果过于危险。     

浅齿轮齿根激光冲击强化试验和仿真研究

为探究激光冲击强化对高强度钢齿轮齿根表面及内部残余应力的影响,使用ABAQUS软件对齿轮齿根进行了激光冲击强化模拟仿真,并通过试验对该仿真模型进行了验证。结果表明,所建立的齿轮齿根激光冲击强化有限元模型可以较好地预测实际激光冲击强化结果,准确揭示激光冲击强化作用规律。同时,根据残余应力分布情况可知,激光冲击强化可使高强度钢齿轮齿根产生明显的残余压应力层,但不同方向残余压应力分布略有不同,平行于齿根路径方向的平均残余压应力大于垂直于齿根路径方向的平均残余压应力。     

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.     

激光冲击对TC11钛合金组织和力学性能的影响

对TC11钛合金进行激光冲击强化处理,通过透射电子显微镜观察不同参数下TC11钛合金的微观组织变化,用显微硬度计和X射线应力测试仪分别测试材料表层硬度和残余应力,并通过TC11钛合金标准疲劳试片高周振动疲劳试验验证激光冲击对其疲劳性能的影响.试验结果表明:激光冲击波作用后表面组织结构发生明显变化,当冲击次数增加,先后出现了高密度位错、位错胞和纳米级晶粒等微观组织特征.冲击10次后,表面残余应力最高达到-632.5MPa,相应的塑性变形层深度达到1500μm左右;同时表面硬度在冲击1次即可提高19%,硬度影响深度为700μm,随着次数增加而提高,但幅度不大.经3次冲击处理的TC11钛合金标准疲劳试片的疲劳极限由原始483MPa提高到593MPa.      

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。     

激光冲击强化对钛合金高温微动疲劳寿命的影响

为了解高温工作环境下激光冲击强化工艺(LSP)对钛合金材料微动疲劳寿命的影响,开展了强化前后TC11钛合金在室温、300°C和500°C下的微动疲劳试验并测试了试验件表层的残余应力及硬度。结果表明:随着温度的升高,激光冲击强化对TC11钛合金微动疲劳寿命的提高倍数逐渐减小。在轴向载荷为400MPa,法向载荷为65.5MPa时,经激光冲击强化后TC11钛合金试验件在室温、300°C和500°C下的微动疲劳寿命分别为强化前的5.5倍、3.5倍和1.7倍;强化后试验件表层的残余应力会在高温下发生松弛,且松弛程度会随温度的升高而增大,这是激光冲击强化效果随温度升高而逐渐弱化的主要原因。     

激光冲击强化提高压气机叶片疲劳性能研究

根据1Cr11Ni2W2MoV不锈钢材料性能,确定了激光冲击强化参数;并通过标准试片疲劳试验,验证了该参数条件下激光冲击强化提高不锈钢材料振动疲劳寿命的有效性.设计了不锈钢叶片振动疲劳试验,确定了叶片冲击强化部位和方式,对强化叶片进行了型面检查、一阶弯曲振动疲劳试验和强化机理研究.结果表明:激光冲击强化后的叶片各个截面尺寸在设计范围之内,强化后叶片的应力-循环次数(S-N)曲线往上移动,提高了叶片的疲劳强度,在660MPa应力水平下,叶片的振动中值疲劳寿命提高70%;激光冲击强化引起的残余应力和表层微观组织变化是疲劳强度提高的主要原因.      

激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验

针对某航空发动机涡轮叶片榫头部位疲劳断裂故障,利用激光诱导高压冲击波对榫头部位进行冲击强化,提高其抗疲劳性能。在试验测试激光冲击GH4133B镍基高温合金材料残余应力场的基础上,确定了叶片材料激光冲击工艺参数;根据榫齿面转接R区结构特征,设计了不等强度分布冲击方式,保证强化区域残余应力均匀、过渡分布,防止出现应力突变。由于榫头结构不均匀,高压冲击波引起的塑性流动使叶片发生宏观变形,采用数值仿真方法分析了激光冲击后叶片榫头宏观变形规律和机理。在此基础上提出了激光冲击叶片榫头变形控制的方法,并设计了榫头结合面冲击区域和方式,保证叶片榫头两侧对应区域的激光能量输入基本相当,通过结合面的塑性流动来减小叶片榫头宏观变形。冲击处理后的叶片榫头表面粗糙度、滚棒尺寸和平面度等均满足技术要求。并分析了激光冲击强化提高叶片高温疲劳寿命的原因。疲劳试验结果表明：激光冲击强化可提高叶片榫头部位的高温高低周复合疲劳寿命提高了279%。     

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...