表面机械强化工业纯钛疲劳性能的研究

利用透射显微技术和 X射线衍射分析技术 ,对工业纯钛在喷丸、滚压两种强化方式下的组织和残余应力进行了对比研究。结果表明 :1 ) TEM组织中均可观察到位错和变形孪晶。滚压形成了单个分散的孪晶 ,喷丸表层中形成大量相互交叠的孪晶和变形带 ;疲劳后 ,喷丸组织中产生孪晶 -孪晶的交互作用 ,而滚压组织中是孪晶 -晶界的交互作用。2 )喷丸较滚压强化表层残余应力松弛显著 ,疲劳后两者的表层残余应力相当 ;3)喷丸较滚压粗糙度高一个数量级。并依上述分析对表面机械强化机理进行了解释。     

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。     

奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti激光冲击强化研究

对奥氏体不锈钢１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ进行激光冲击强化,观察了激光冲击强化层显微组织与结构的变化并测定了激光冲击强化层内的显微硬度和残余应力。结果表明：１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ激光冲击强化层中有高密度的位错和大量的孪晶,显微硬度显著提高并产生较高的残余压应力,１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ激光冲击强化区还发生了形变诱发马氏体相变。     

镁合金机轮滚压强化工艺

在分析现行滚压工艺的基础上,研究了工艺参数与残余应力之间的关系,设计了液压式滚压装置,并以大尺寸镁合金机轮做了试验,获得了初步结论。     

初始应力状态对薄壁件双侧滚压影响规律

双侧滚压工艺是航空结构件生产过程中常采用的校正方式，然而由于滚压校正过程中工件原有应力场与滚压应力场的耦合作用等材料内部物理力学性能变化机制不明确，限制了滚压校正工艺稳定性的提升。为此建立了无初始应力、仅毛坯应力、毛坯应力与加工应力耦合3种初始应力状态下的7050-T7451铝合金T型件双侧滚压有限元模型，获得了工件的滚压变形及残余应力分布规律。结果显示3种初始应力状态下滚压导致的工件最大弯曲变形量分别为2.56×10^-1、2.76×10^-1、2.49×10^-1 mm。毛坯应力对滚压变形的影响程度约为7.8%，在此基础上加工应力的影响约为9.8%，且毛坯应力与加工应力的作用方向相反。滚压区域残余应力主要集中在滚压方向和垂直滚压方向，在工件表面均为压应力，在次表面达最大值。初始应力会导致工件沿滚压方向全厚度范围内的应力值增大；而在垂直滚压方向，初始应力主要造成表面应力的改变。对滚压过程中的应变-应力场演变过程进行了分析，揭示了毛坯应力与加工应力对滚压作用的影响机制。研究成果对于进一步提高滚压校正精度具有重要意义。     

A100钢外螺纹椭圆超声滚压强化试验研究

A100钢有较高的疲劳抗力和显著的减重效果.在航空工业中,飞机起落架主要承力件正逐步采用A100钢,且主要承力件多采用螺纹联接.为了提高螺纹疲劳寿命,提出了超声振动滚压强化工艺方法,设计了外螺纹超声滚压强化装置,进行了螺纹超声滚压强化前后性能对比试验.利用X射线分析仪、维式硬度计、粗糙度仪和疲劳试验机,分别测量了螺纹超声滚压强化前后的残余应力、维氏硬度、表面粗糙度以及疲劳寿命.结果表明,超声滚压强化后牙底残余应力提高了70％,显微硬度提高了14％,粗糙度降低了51％,600MPa应力条件下寿命提高了5倍.     

喷丸对30CrMnSiNi2A合金钢表层组织性能的影响及其微观机理

使用气动式喷丸设备制备了30CrMnSiNi2A合金钢喷丸强化处理试样,并对试样表层的组织性能进行了综合分析。采用扫描电镜和透射电镜观察了试样表层的显微组织结构,利用纳米压痕仪和X射线应力仪测试了喷丸处理和未处理试样表层纳米显微硬度和残余应力沿厚度方向的分布。结果表明:未处理试样的组织主要为板条马氏体、少量的下贝氏体、孪晶及残余奥氏体,喷丸处理在试样表面形成了厚度约为30μm的致密塑性变形层,该层内晶粒平均直径约为46 nm,纳米显微硬度值达到6.8 GPa,加工硬化量提高了4.9%;同时,喷丸处理在试样表面引入了深度约为280μm的残余压应力层,最大值为-1050 MPa。最后,分析了喷丸处理晶粒细化机制及其对材料加工硬化和残余应力的影响。     

表面深滚处理对纯镍组织性能及残余应力分布的影响

通过一种新型表面自纳米化方法———表面深滚处理,在纯镍（N4）表面制备出晶粒尺寸小于500nm 的梯度超细晶结构,并对材料次表面微观组织结构、残余应力分布及力学性能进行了研究。结果表明：N4经过表面深滚处理,表面形成织构;由于剧烈塑性变形,位错大量产生,并出现胞状组织和高密度位错墙,这些组织经过演化形成超细晶,并在表面形成具有一定厚度的残余压应力场;与原始材料相比,经过表面深滚处理后表面组织硬度提高近一倍;通过合理选择滚压参数,其细化层厚度、硬度、表面粗糙度及残余应力分布均得到不同程度改善。     

超声滚压技术在表面强化中的研究与应用进展

超声滚压加工是一种复合特种加工技术，其综合了传统滚压和超声加工的材料去除方式，在增加残余应力提高表面完整性、抗疲劳、抗腐蚀、耐磨损等方面具有显著的优势。自该技术应用至今，国内外学者做了大量有关超声滚压工艺及机理方面的研究，并在多种重要金属材料及关键零部件中应用。本文首先总结了国内外滚压装置的发展现状；其次论述了超声滚压机理研究的主要方法（理论法、有限元法和实验法）研究进展，指出以上3种方法的优缺点及待解决问题；随后总结了超声滚压对表面完整性（包括微观结构、表面形貌、微观硬度、残余应力）的影响规律，超声滚压对提高抗疲劳特性及其他性能影响，并指出超声滚压目前存在的不足及尚待解决的问题；最后就超声滚压技术进一步研究和发展方向进行展望，从而为曲面的超声滚压制造提供一定的参考。     

直接时效处理对热连轧GH4169合金蠕变行为的影响

通过对热连轧GH4169合金进行直接时效处理、蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了直接时效对热连轧合金蠕变行为的影响。结果表明:直接时效可明显提高热连轧GH4169合金的蠕变抗力,在660℃/700MPa条件下,使合金的蠕变寿命由60h提高到126h,在试验的温度和应力范围内,测定出该合金在蠕变期间的激活能和应力指数分别为Qa=559.2kJ/mol和n=17.6。合金在热连轧期间的变形特征是孪晶和位错在孪晶内的双取向滑移,且有较小的晶粒尺寸;经直接时效后,合金中弥散析出的细小γ″相是有效提高合金蠕变寿命的主要原因。在蠕变期间,合金的变形特征是孪晶及位错在基体中滑移;蠕变后期,在与应力轴垂直的晶界处首先出现微裂纹,随蠕变进行,微裂纹沿晶界扩展并发生沿晶断裂。     

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...     

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钛合金盘铣开槽加工残余应力

整体叶盘盘铣开槽加工过程中铣削力大,铣削温度高,会在加工表面表成较深的残余应力层,对零件的疲劳寿命造成严重影响。为提高零件的疲劳寿命,本文以钛合金试块为研究对象,利用残余应力测试分析系统测量表面残余应力,利用拨层法测量次表面的残余应力,采用线性回归技术建立残余应力预测模型,并利用极差分析法分析工艺参数对残余应力的影响规律。试验结果表明:盘铣表面均为压应力,且轮毂面上的残余应力大于叶盆叶背面上的残余应力,均由挤光效应引起;回归预测模型的显著性水平为0. 01,其回归效果良好;各因素对σAx、σAy(σAx、σAy分别表示轮毂面x、y方向残余应力)的影响程度依次为主轴转速>进给速度>切削深度;对σBx(σBx表示叶盆叶背面x方向上的残余应力)的影响程度依次为主轴转速>切削深度>进给速度;残余应力纵向均为压应力,轮毂面上的分布深度为230~270μm,叶盆叶背面上的分布深度为170~175μm。     

激光增材制造钛合金构件的化学抛光工艺研究

采用HNO3-HF抛光液对激光选区熔化钛合金制件进行化学抛光,以试样表面粗糙度、减薄及失重变化为指标探究了抛光过程中不同温度和时间对钛合金增材制件抛光效果的影响。通过电化学测量、拉伸试验、残余应力测试等方法对比分析了化学抛光前后钛合金试样的电化学和力学性能。结果表明在温度30℃、反应时间10min下抛光钛合金可以取得较理想的抛光效果,试样表面粗糙度减小、耐腐蚀性能提高。化学抛光后钛合金的强度出现小幅下降,内部原有的残余应力由拉应力转变为压应力。     

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。     

TC17钛合金铣削刀具磨损对残余应力影响研究

为了获得高性能航空发动机用TC17钛合金材料铣削过程中刀具磨损对残余应力的影响规律,通过对不同刀具后刀面磨损量下铣削工件表层残余应力的测试,建立了刀具磨损对残余应力的影响关系,并对影响机理进行了分析。结果表明,硬质合金刀具低速铣削钛合金时,刀具对已加工表面的挤光效应引起的残余压应力占主导地位;不同刀具后刀面磨损量下,残余压应力沿深度方向先增大达到一个最大压应力值后,然后减小趋向于零应力;表面残余应力、最大残余压应力以及残余应力的影响深度都随刀具后刀面磨损量的增大呈增大趋势。     

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。     

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.