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。     

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。     

陶瓷喷丸强化工艺在起落架构件上的应用

从陶瓷丸的固有属性以及陶瓷喷丸工艺对金属结构件性能的影响等方面进行了大量的分析和研究,针对铸钢丸、玻璃丸以及陶瓷丸3种喷丸工艺以及复合喷丸工艺进行了对比试验,从被喷金属件表面质量、喷丸参数以及表面产生的应力场进行了检测和分析.结果表明,3种喷丸工艺试验结果产生的残余压应力场深度相当,约为0.3mm,而陶瓷喷丸可以获得最高的最大残余压应力值,对于延缓超高强度钢零件表面微裂纹的产生和扩展,改善产品性能,提高抗疲劳寿命有较大贡献.另外,陶瓷丸成分为高质量的氧化锆和二氧化硅,环保性能好,无毒无害,对零件表面以及环境不会造成任何污染;硬度高,弹丸磨损小,且磨损后的弹丸表面光滑等.     

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。     

GH4169高温合金车削表面完整性对疲劳性能的影响

通过车削和旋转弯曲疲劳实验,研究直接时效态GH4169高温合金车削进给量对表面完整性的影响,以及表面完整性对疲劳寿命的影响。结果表明:当进给量f从0.2 mm/r减小到0.02 mm/r时,表面粗糙度R_a从1.497μm减小到0.431μm;表面残余应力从拉应力状态逐渐转变为压应力状态;表面塑性变形层从8μm减小到2μm左右;表面应力集中系数是GH4169疲劳寿命的主要影响因素,随着表面应力集中系数增大,疲劳寿命显著下降;在实验参数范围内,当f=0.13 mm/r时,可获得好的表面完整性,表面应力集中系数K_(st)为1.166,表面显微硬度为405.27HV_(0.025),表面残余应力为82.08 MPa,获得的平均疲劳寿命为6.98×10~4周次;车削表面疲劳断口具有多源疲劳断裂特征,疲劳源起始于试件加工表面的缺陷处。     

基于DEM-FEM耦合的超声喷丸强化数值分析

为了研究超声喷丸处理过程弹丸与构件之间弹塑性接触状态、应力场及表面状态分布规律，基于显式微粒离散函数的多弹丸撞击模型和Hertz-Mindlin(No Slip)碰撞接触力学定律，建立了弹丸冲击速度与恢复系数之间的模型。针对超声喷丸过程，建立DEM-FEM(离散元-有限元)耦合数值模型，建立ALE自适应网格模型，通过数值模拟研究恒定恢复系数与动态恢复系数对构件表面残余应力、残余应力层深度、表面宏观形貌的影响，恒定恢复系数增加的过程中，表面残余压应力、残余压应力层深度、表面粗糙度均增加，相比残余应力层深度与表面粗糙度，表面残余应力分布极值差低约12%,相比残余应力层深度内外端均值差值，表面残余应力与表面粗糙度差值低约9%～15%。结果表明，在恒定与动态恢复系数下，与残余压应力层深度相比，表面残余应力与表面宏观形貌更容易实现均匀性；与恒定恢复系数相比，动态恢复系数对构件表面引入的残余应力与试验结果误差均低于5%,预测更接近真实值。     

喷丸强化Ti6Al4V钛合金的数值模拟

为了更加真实地模拟Ti6Al4V钛合金的喷丸强化过程,建立了一个基于概率控制多弹丸冲击靶面位置的三维喷丸有限元模型,以考虑喷丸强化过程中弹丸之间的相互作用。模拟了喷丸角度为60°和90°的两种工况,结果表明:对于相同的弹丸尺寸和初始速度,达到完全喷丸覆盖率和饱和喷丸强度,60°喷丸角度工况在单位受喷面积上需要的弹丸个数为15/D2(D是弹丸直径),90°喷丸角度工况需要的弹丸个数为35/D2;在达到完全喷丸覆盖率的过程中,随着弹丸个数的增加,喷丸强化的残余压应力逐渐增大并趋于稳定,而受喷表面粗糙度基本呈线性增大;在完全喷丸覆盖率下,相对于60°喷丸角度工况,90°喷丸角度工况的表面残余压应力较小,但最大残余压应力较大,表面粗糙度也较大。      

喷丸强化对DZ4定向凝固高温合金高温旋转弯曲疲劳性能的影响

对DZ4定向凝固高温合金进行喷丸强化。利用表面轮廓仪、硬度计和扫描电镜等设备研究了表面粗糙度、显微硬度、组织结构等表面完整性的变化。在820℃高温下进行了光滑和缺口试样的旋转弯曲疲劳试验。结果表明,由于喷丸强化效应和弱化效应基本相当,喷丸强化工艺对提高DZ4定向凝固各向异性材料光滑试样高温疲劳性能效果不显著;但对于具有应力集中的缺口试样,由于喷丸弱化作用引起的应力集中效应被缺口应力集中所掩盖,喷丸强化效果比较显著。     

铝锂合金喷丸强化数值模拟及试验

根据喷丸强化工艺过程的特点,利用ABAQUS有限元计算软件建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型.在此模型基础上研究了喷丸速度、弹丸直径及弹丸数量等因素对铝锂合金喷丸残余应力场的影响规律,进而对比了单弹丸模型、均布式阵列弹丸模型和随机弹丸模型下残余应力场的分布规律.采用X射线残余应力仪和电解抛光法得到喷丸强化后沿铝锂合金试件厚度方向的残余应力分布规律.残余应力层深度约为0.24mm,最大残余应力出现在距表面深度为0.08mm处,验证了有限元模型的有效性.      

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。     

TC4钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析

为了探究TC4钛合金超声喷丸过程中喷丸参数对残余应力的影响规律,基于ABAQUS建立了TC4钛合金超声喷丸强化的3维有限元模型,分别从超声喷丸模型中振动头振幅、弹丸数量和弹丸直径的变化对TC4钛合金表层及亚表层残余应力分布的影响进行了分析。结果表明:随着振动头振幅和弹丸直径的增加,试件表面及亚表面每层残余压应力分布范围及残余压应力值均增大,残余压应力层深度增加;随着弹丸数量的增加,仅能提高每层残余压应力的值,对残余压应力层深度影响较小。     

喷丸强化的综合效应理论

 对几种钢材进行了喷丸强化,疲劳试验,测定了残余应力场和表面粗糙度。提出了表面粗糙度应力集中系数的计算模型和公式,以及疲劳源萌生于表面时表达疲劳极限规律的修正Goodman方程。根据断口分析和应力计算,提出了材料的内部疲劳极限概念及相应的强化机制。在上述研究基础上,建立了喷丸强化的综合效应理论。     

单边缺口拉伸试样喷丸强化残余应力及其三维应力强度因子分析

采用有限元计算软件ABAQUS/Explicit建立40Cr钢单边缺口拉伸(SENT)试样喷丸强化的三维有限元模型,分析各喷丸参数与强化后残余应力场的关系。用三维裂纹权函数法求解了三维表面裂纹在喷丸残余应力场下的应力强度因子,并分析各喷丸参数对残余压缩应力强度因子K_res的影响。计算结果表明:当裂纹尺寸较小时,表面残余压缩应力越大,残余压缩应力强度因子绝对值-K_res越大;随着裂纹尺寸的增加,残余压应力层越深,-K_res最大值的发生位置也越深;当裂纹达到一定尺寸时,-K_res受残余压应力场深度变化规律的影响,即残余压应力场的深度越大,-K_res越大。     

喷丸表面覆盖率对TC4钛合金表面完整性的影响

采用不同覆盖率对TC4钛合金进行喷丸,研究了喷丸后TC4钛合金的表面形貌、粗糙度、残余应力场以及经过200℃/1h保温后形变层组织状态等表面完整性性能变化。结果表明:经过300%覆盖率喷丸后,TC4钛合金表面平均粗糙度Ra和均方根粗糙度Rq均比100%覆盖率增大,残余压应力场深度基本与100%覆盖率喷丸工艺相当,但残余压应力数值有所增大;经过200℃/1h保温处理后,由于温度和内应力的驱动,300%覆盖率喷丸后表面"强烈塑变区"发生位错运动和晶体自协调,使表面塑性形变层的残余应力松弛明显,而100%覆盖率喷丸未观察到以上现象。     

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。     

34CrNiM06钢复合喷丸强化的有限元模拟

为了研究复合喷丸的工艺效果,利用ABAQUS有限元仿真软件进行模拟分析,建立了34CrNiMo6钢随机多弹丸的周期性三维有限元模型.首先对所提出的周期性有限元模型进行周期性验证和试验验证,然后利用周期性有限元模型对复合喷丸的强化效果、不同喷丸强度对残余应力场的影响进行分析.结果表明:该周期性三维有限元模型可有效模拟喷丸强化效果;复合喷丸强化使34CrNiMo6钢表面产生的残余应力和最大残余应力均高于单一喷丸产生的,且表面残余应力分布更加均匀,但最大残余应力所处深度不变;复合喷丸可得到更小的表面粗糙度.     

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。     

超高强度钢的喷丸强化

总结了航空常用超高强度钢0Cr13Ni8Mo2Al,30CrMnSiNi2,16Co14Ni10Cr2MoA和40CrNi2Si2MoVA喷丸强化所产生的残余压应力场特征,研究了喷丸所造成的表面粗糙度和表面残余应力等表面完整性变化,初步定性探讨了超高强度钢喷丸强化后表面完整性的改善及其对疲劳性能的影响.结果表明,喷丸可显著提高疲劳寿命和有效提高疲劳极限,而且对某一给定材料而言存在一个最佳的喷丸规范.