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。     

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。     

超声冲击残余应力场的有限元模拟

建立模拟超声冲击残余应力场的三维有限元模型,预测AISI 304奥氏体不锈钢靶材经超声冲击后的残余应力场分布.模拟过程中,分析冲击速度、针头直径、冲击时间、摩擦力、冲击次数以及不同覆盖率等因素对超声冲击残余应力场分布影响的规律.结果表明,冲击速度、针头大小、冲击时间及摩擦力都会影响到最终冲击残余应力场.冲击速度和针头直径对残余应力场分布影响显著,速度提高或直径变大,均可明显提高残余压应力值,且增加残余压应力层深度,但摩擦系数对冲击效果的影响不大.随着冲击次数的增加,超声冲击强化特征明显,残余压应力层深度增加.随着覆盖率的增加,残余压应力层增厚,但形成的最大残余压应力值减小.     

多点连续动态激光冲击强化残余应力场数值分析

为了提高激光冲击强化(LSP)数值模拟效率及计算精度,基于传统激光冲击仿真策略,提出了一种连续显式动态冲击仿真策略。使用显式动态分析完成多次冲击,再进行隐式静态分析得到稳定残余应力场;建立ABAQUS三维平板有限元模型,基于该策略研究了多次冲击后残余应力场的分布;Python后处理后,残余应力模拟值与测量值吻合较好。结果表明:当激光功率密度为1 GW/cm2时最大残余应力为-212.5 MPa,其测量均值为-216.7 MPa,误差为1.9%。激光功率密度从1 GW/cm2增加至4 GW/cm2,残余应力层深度由0.7 mm增加至1 mm。验证了该策略的准确性,在大幅度提高仿真效率的基础上有效地提高了模拟精度,为大型结构大面积激光冲击强化数值模拟提供了一种仿真思路。      

TC4合金低塑性抛光过程数值模拟

为了研究低塑性抛光工艺参数对材料表面性能的影响,采用有限元分析软件ANSYS对TC4合金板材低塑性抛光表面强化过程进行了数值模拟。运用单因素试验法分别分析了液压油预压力、滚压速度、滚压道次、进给量4个工艺参数对表面残余应力的影响。结果表明:液压油预压力对残余应力分布影响最大,增加液压油预压力可使残余压应力层深度明显增加;滚压速度和滚压道次主要影响表面残余应力,表面残余压应力随滚压速度减小和滚压道次增加而增大;进给量对残余应力分布均匀性有显著影响,减小进给量可使均匀性增高。通过对比残余应力分布,建议液压油预压力设为450 N,滚压速度取为10 mm/s,进给量取为0.1 mm,滚压道次选择为3次。研究结果可为TC4合金低塑性抛光试验工艺参数选取提供理论参考。     

超声冲击载荷对CP3钛合金焊接接头残余应力的影响

首先建立了焊接过程及超声冲击过程有限元模型,得到超声冲击处理前后CP3钛合金焊接焊缝处残余应力分布规律;基于模拟仿真结果,进行了相应的工艺试验研究,以不同大小冲击载荷对焊缝处进行全覆盖冲击,采用小孔法测量不同处理条件下的残余应力值。结果表明,采用超声冲击处理方法,可将焊缝处的高值残余拉应力转化为压应力,残余应力降幅达到125%以上;随着冲击力的增加,压应力的幅值不断增大,但当冲击力达到60N后,压应力将趋于稳定,不再增加。     

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。     

激光冲击强化铝合金小孔构件的疲劳寿命研究

研究了激光冲击强化对7050-T7451铝合金小孔件疲劳寿命和断口形貌的影响。采用ABAQUS对峰值压力2.7GPa下小孔构件孔壁与表面上的应力分布进行了研究,并基于仿真结果对试样进行激光冲击强化试验和疲劳拉伸试验。结果显示,激光双面冲击强化在板料两侧形成一定深度的残余压应力影响层,而在中心形成一定范围的残余拉应力层,这也是导致疲劳源由孔角向孔壁中心转移的主要原因;在应力水平165.8MPa、195.0MPa和275.4MPa下,试样的疲劳寿命分别平均可增大451%、216%、116%;经激光冲击强化后,试样的疲劳源位置由孔角转移至孔壁内部,且疲劳裂纹扩展区面积明显增大。研究表明,激光冲击强化能明显改善铝合金小孔构件的疲劳性能,但强化效果随外加载荷的增加逐渐减小。     

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。     

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.     

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.     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律，采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析，验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征，如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明，分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响，其脉动仍以高频特征为主，低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈，分离泡内对数正态分布规律不再适用，而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层，分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著，峰值概率降低，峰值范围增大。此外，流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出，主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

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%。     

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.      

LY2铝合金的激光冲击强化区硬度和残余应力测试分析

为了研究激光冲击处理对LY2航空铝合金力学性能的影响,采用Nd:YAG激光器对航空铝合金LY2进行了激光冲击强化处理,测定其显微硬度和残余应力.结果表明,经过激光冲击处理后,试样表面没有受强脉冲激光和冲击波的破坏,而显微硬度和残余压应力明显提高,激光冲击处理后的强化区与光斑相当,深度约为1.2mm.     

Investigation on surface roughness,residual stress and fatigue property of milling in-situ TiB2/7050Al metal matrix composites

For higher efficiency and precision manufacturing, more and more attentions are focused on the surface roughness and residual stress of machined parts to obtain a good fatigue life. At present, the in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites are widely researched due to its attractive properties such as low density, good wear resistance and improved strength. It is of great significance to investigate the machined surface roughness, residual stress and fatigue life for higher efficiency and precision manufacturing of this new kind material. In this study, the surface roughness including two-dimensional and three-dimensional roughness, residual stress and fatigue life of milling in-situ TiB₂/7050Al metal matrix composites were analyzed. It was found from comparative investigation that the three-dimensional surface roughness would be more appropriate to represent the machined surface profile of milling particle reinforced metal matrix composites. The cutting temperature played a great role on the residual stress. However, the effect of increasing cutting force could slow down the transformation from compressive stress to tensile stress under 270 °C. An exponential relationship between three-dimensional roughness and fatigue life was established and the main fracture mechanism was brittle fracture with observation of obvious shellfish veins, river pattern veins and wave shaped veins in fracture surface.