三种典型发动机用材料疲劳极限应力集中敏感性及喷丸的影响

针对发动机用C250钢、TA29钛合金和FGH96粉末合金,开展应力集中系数K_t=1和K_t=1.7条件下疲劳曲线研究,并研究喷丸对应力集中条件下疲劳极限的影响。结果表明:当应力集中系数由K_t=1提高到K_t=1.7时,C250钢、TA29钛合金和FGH96粉末合金的107周次疲劳极限分别从757 MPa,366 MPa和566 MPa降低到526 MPa,240 MPa和465 MPa,说明上述三个高强度合金都存在明显的疲劳极限应力集中敏感性;喷丸强化后,K_t=1.7条件下的疲劳极限提高至597 MPa,297 MPa和530 MPa,说明喷丸有助于从工艺角度缓和高强度合金的疲劳极限应力集中敏感性;随着应力集中系数增加,TA29钛合金和FGH96粉末合金的10~5周次和10~7周次对应疲劳强度差也随之减小,喷丸处理能够使疲劳性能数据的分散性有所降低。     

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。     

喷丸对DZ4 合金旋转弯曲疲劳断裂特征的影响

对喷丸前后DZ4高温合金旋转弯曲高周疲劳断口的断裂特征进行了观察.结果表明,室温和高温(820℃)时,未喷丸的DZ4合金高周疲劳裂纹均萌生于试样表面以及与表面相连的铸造缺陷或碳化物处.Kt=1时,疲劳断口为点源,源区存在滑移平面和滑移台阶;随着应力集中水平的升高(Kt=2,Kt=3),疲劳断口向多源和线源发展,源区滑移面变小甚至消失;随着温度的升高,断口源区滑移特征明显.喷丸后,疲劳裂纹源内移,裂纹萌生于试样次表面的晶体内部或铸造缺陷处.带缺口试样裂纹源减少,起源区域缩小,出现明显的主、次疲劳源.实验证明,喷丸可降低DZ4合金表面和缺口敏感性,对裂纹萌生有抑制作用,可提高材料的疲劳性能,随着温度升高,喷丸的强化作用逐渐减弱,但在820℃仍有强化作用.     

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。     

粉末高温合金FGH96的高温缺口疲劳研究

在500℃和600℃两个温度条件下,研究了第二代粉末高温合金FGH96的缺口疲劳性能,将原始数据的曲线拟合成S-N曲线,分析光滑与缺口试样的Kf的差别,用扫描电镜分析了试样的断口形貌特征。结果表明:FGH96合金的疲劳缺口敏感性随着温度的升高和应力比的增大而降低;与光滑试样的断口相比,合金的缺口试样在高温下疲劳裂纹多由加工刀痕起源,因此缩短了其疲劳萌生寿命;疲劳扩展区疲劳条带比较明显,扩展区面积比光滑试样小。     

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。     

化学热处理对40Cr钢表象疲劳极限影响的定量化研究

选用40Cr结构钢制备光滑试样和缺口试样(Kt=2.4),经调质并采用氮化进行表面强化。在旋转弯曲疲劳试验机和扭转疲劳试验机上测定氮化和未氮化试样在应力比R=-1条件下5×106循环周次的表象疲劳极限。试验结果表明,氮化后疲劳缺口敏感系数q趋近0,本文用疲劳裂纹萌生的微细观过程理论对此作了合理清晰解释。氮化使光滑试样的表象疲劳极限提高36%,使缺口试样的表象疲劳极限提高96%,并将疲劳裂纹源从表面"挤到"次表面层。在试验研究和理论分析的基础上,从疲劳性能方面提出了表面强化工艺的优化判定准则:若表面强化后疲劳裂纹源位于表面强化层下基体,或者其表象疲劳极限达到按"表面/内部疲劳极限概念"预测的数值,则此表面强化工艺已达到优化。     

航空发动机高温合金涡轮盘抗疲劳制造评价方法研究

针对航空发动机高温合金涡轮盘的机加及喷丸强化表面,使用金相显微分析、X射线残余应力检测等实验技术手段,研究了高温合金涡轮盘的表面微观表征及评价方法、力学表征及评价方法。结果表明:(1)机械加工表面微观形貌主要包括:变形层、应变线、皱折、拉扯和白层等特征;喷丸表面微观形貌为表层组织剧烈变形、晶格扭曲和双向交滑移;(2)喷丸后表面残余压应力处于725~850MPa范围内;(3)深度为0.02mm的表面划痕对FGH96涡轮盘的疲劳寿命影响较小,深度≤10μm的表面变形层对FGH96涡轮盘的疲劳寿命影响不明显。     

考虑表面加工状态的粉末盘低循环疲劳寿命分析

分析了表面加工状态对疲劳性能的影响,建立了基于Manson Coffin公式考虑表面加工状态的低循环疲劳寿命分析方法。分析不考虑与考虑表面加工状态某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命,分析结果表明:表面加工状态对低循环疲劳寿命的影响程度为30%～40%。完成了某FGH96粉末合金盘的低循环疲劳寿命试验,试验结果表明:不考虑表面加工状态的预测寿命分散度大,考虑表面加工状态的预测寿命分散度小。      

表面再结晶层对DZA定向凝固合金低周疲劳性能影响

针对DZ4定向凝固合金表面再结晶层对材料性能的影响进行了低周疲劳实验研究,并通过岛津SEM伺服疲劳试验机进行表面裂纹实时观察跟踪.研究结果表明,表面再结晶层的存在对材料性能明显产生负面作用,低周疲劳寿命大大降低.不同喷丸强度试件在相同的高温退火条件下形成的再结晶具有不同的再结晶形态,高喷丸强度再结晶更加完全,晶界清晰平直,晶粒有长大的趋势.表层再结晶形态也对疲劳寿命的降低程度以及疲劳微裂纹萌生寿命和裂纹密度有较大的影响.较高喷丸强度形成的再结晶层的试件疲劳寿命降低较少,表面微裂纹萌生较晚,裂纹密度也很低.低喷丸强度试件表面微裂纹大量萌生,密度非常高.再结晶层的晶界开裂是导致表面微裂纹大量萌生的根源,从而导致疲劳寿命大幅度降低.     

喷丸强化7475-T7351铝合金的小裂纹行为和寿命预测

对7475-T7351铝合金进行了喷丸强化和未喷丸(机械加工后抛光)单边缺口拉伸(SENT)试样的小裂纹扩展行为试验研究,利用权函数法(WFM)和叠加原理分析计算了三维表面小裂纹在外加载荷和残余应力场联合作用下的应力强度因子(SIF),并将其加入到基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析程序FASTRAN3.9中,采用该程序预测了均布外载荷σmax=160MPa、R=0.06下,喷丸强化和未喷丸SENT试样自然萌生裂纹扩展的a-N曲线。研究发现喷丸强化残余压应力对疲劳小裂纹扩展速率的降低是疲劳寿命延长最主要的原因,采用基于裂纹闭合的小裂纹扩展分析方法能够较好地定量描述喷丸强化的疲劳延寿作用。     

表面完整性对30CrMnSiNi2A钢疲劳极限的影响

采用喷丸强化和振动冲击强化两种表面形变强化方法改变 30CrMnSiNi2A钢的表面完整性 ,用升降法测定了 10 7循环周次下光滑试样的疲劳极限。试验结果表明 ,振动强化使疲劳极限提高 11% ,喷丸强化使疲劳极限提高 16 %。     

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.     

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。     

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...     

航空钛合金抗疲劳表面改性技术研究进展

重点介绍了提高钛合金疲劳性能的表面改性技术的最新研究进展。主要从喷丸强化、激光冲击强化、挤压、滚压、离子注入、滚磨光整加工、水射流喷丸等典型方式对钛合金的加工能力、作用机理,以及加工后零件的残余应力水平和疲劳性能等方面进行了阐述,以期为航空钛合金零件的表面改性提供借鉴。     

Rene‘95粉末合金喷丸强化研究

研究了Ｒｅｎｅ’９５热等静压粉末高温合金喷丸后的残余应力场、组织结构、密度及其与高温疲劳性能间的关系。结果指出，喷丸引起表面形变层内的上述变化，能够有效地提高粉末合金高温下的高周和低周疲劳性能。     

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。