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、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对TC18钛合金疲劳性能的影响

为了探讨喷丸、喷砂与HVOF WC-17Co涂层表面完整性对Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe(TC18)钛合金疲劳性能的影响规律和作用机制,利用X射线衍射仪(XRD)、表面粗糙度仪、显微硬度计、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线应力测试仪等分析了喷丸、喷砂及其复合超音速火焰喷涂(HVOF)WC-17Co涂层的表面完整性,利用旋转弯曲疲劳试验机研究了上述表面处理对TC18钛合金疲劳性能的影响规律。结果表明,喷丸预处理比喷砂预处理能够使TC18钛合金表面获得更好的表面完整性,因而显著提高了TC18钛合金的疲劳抗力,而喷砂处理对TC18钛合金疲劳抗力无明显影响。喷丸后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳寿命提高6倍,原因归于喷丸层内仍保留数值较大、分布较深的残余压应力,有效延缓疲劳裂纹的萌生和早期扩展。喷砂后进行HVOF WC-17Co涂层处理使TC18钛合金疲劳抗力显著降低,原因是HVOF过程的高温效应使喷砂层内残余压应力场松弛,使喷砂表面缺口效应和损伤的不利影响作用突显,加之WC-17Co涂层韧性低、表面粗糙度大、存在孔洞型缺陷,不利于抗疲劳性能。     

TC4钛合金薄板高能束焊接接头疲劳性能研究

对TC4钛合金薄板激光焊和电子束焊接头的疲劳性能进行了试验研究,测试了不同应力水平下的疲劳寿命。采用统计分析的方法研究了TC4钛合金薄板母材及其高能束流焊接接头的中值疲劳寿命。分析了焊接工艺条件对接头疲劳强度的影响。结果表明,在高应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命低于母材的疲劳寿命,在低应力水平时,TC4钛合金高能束流焊接接头的疲劳寿命高于母材的疲劳寿命。     

基于振动台的TA11钛合金超高频疲劳实验和验证

提出一种利用电动振动台开展材料超高频疲劳实验的方法。采用TA11钛合金板材,在有限元计算的基础上设计出超高频疲劳试样,测试过程中的实际加载频率达到1756 Hz,同时在相同的应力水平下对该超高频试样和标准试样开展振动疲劳测试,对测试结果数据的一致性进行统计检验。结果表明:在相同应力条件下,本研究提出的超高频疲劳试样和标准振动疲劳的实验结果吻合较好。将本研究结果与同种材料的轴向高周疲劳和旋弯疲劳测试结果进行对比,一致性同样良好。     

湿喷丸处理Ti-6Al-4V合金微动磨损行为影响

采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理,研究了部分滑移、混合滑移和完全滑移等不同状态下钛合金样品的微动磨损行为,从微动状态角度探讨喷丸强化对钛合金微动磨损行为的影响规律。试验结果显示,喷丸处理对于完全滑移状态下Ti-6Al-4V合金的微动磨损行为影响较小;而在混合滑移状态时,喷丸处理使得微动磨痕的塑性变形积累区消失,有效抑制局部疲劳损伤造成的微裂纹萌生。这是因为喷丸引入加工硬化作用使材料表层局部强度提高,进而改善局部疲劳损伤。     

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。     

表面处理对钛合金微动磨损疲劳性能的影响

本文介绍了利用高频疲劳试验机配以一定的附件，测定ＴＣ３钛合金常规疲劳及微动磨损疲劳（简称微动疲劳）的Ｓ－Ｎ曲线。对该合金进行激光、等离子喷镀和喷丸试样的微动疲劳性能显著改善。利用ＴＥＭ及Ｘ光衍射法分析了喷丸试样表层位错密度及残余应力的变化。用错位偶极子及小裂纹的概念分析了微动疲劳裂纹的萌生和扩展机理，从而解释了表面处理对微动疲劳的影响机制。     

合金材料高低周复合疲劳寿命研究

就外物损伤对钛合金材料（TC4和TC11）高低周复合疲劳寿命的影响进行了试验研究[D].分别采用摆锤法和空气炮法模拟了叶片外物损伤,对比分析了两类损伤缺口的特征.进行了无损伤试样、损伤试样的疲劳试验,对比分析了外物损伤对钛合金疲劳寿命的影响.结果表明:摆锤冲击试验法模拟的损伤缺乏代表性,空气炮发射弹丸法模拟的损伤更接近真实情况;外物损伤导致钛合金高低周复合疲劳寿命严重下降,空气炮发射弹丸法模拟的损伤使钛合金的疲劳寿命从105下降到104量级.      

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.      

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。     

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.     

Laser Shock Peening of Aluminum Alloy 7050 for Fatigue Life Improvement

The effects of laser shock peening (LSP) on improving fatigue life of aluminum alloy 7050 are investigated.Surface hardness is increased corresponding to a high dislocation density induced by LSP.The X-ray diffraction stress measurement shows that LSP results in prominent increase of surface compressive stress,quasi-symmetrically distributed in the laser peened region.The fatigue life of the alloy 7050 in rivet fastener hole structure is notably improved owing to LSP.The sequence of LSP and fastener hole preparation also influence the fatigue cycle life of the alloy.     

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。     

激光冲击强化对加力燃烧室火焰探测器焊缝的影响

为了研究激光冲击强化(LSP)后加力燃烧室火焰探测器焊缝位置异常开裂原因,采用X射线衍射方法和金相方法对激光冲击强化效果进行分析,并利用扫描电子显微镜对断口进行了观察。在Abaqus有限元分析软件中建立了与观察到的焊缝缺陷相似的有限元模型,对焊缝缺陷的LSP处理及冲击波传播过程进行了模拟分析。试验结果表明:具有较好材料完整性的区域经LSP处理后,表面会预置较大残余压应力,同时表面金属晶粒得到细化,疲劳裂纹会在焊缝缺陷位置萌生和扩展。有限元分析结果表明:存在分层缺陷的焊缝经LSP强化后,冲击波会在分层缺陷处产生反射,造成分层位置发生开裂,形成裂纹源造成疲劳开裂。根据试验和仿真分析结果,为提升火焰探测器焊缝激光冲击抗疲劳效果,建议优化焊接工艺,提高焊接质量。     

Influence of laser shock peening on surface integrity and tensile property of high strength low alloy steel

Laser Shock Peening (LSP) is a well-established surface treatment commonly used to improve mechanical properties of material's surfaces. To further understand the relationship between tensile property and fatigue life improvement of high strength low alloy steel in the LSP process, LSP treatment of 32CrNi high strength low alloy steel was carried out by YAG laser with pulse energy of 15 J, and tensile property was tested by electronic universal material testing machine. Surface morphology, residual stress and tensile fracture of the specimens before and after LSP were observed by white light interferometer (WLI), X-ray measuring apparatus and scanning electron microscope (SEM). Result shows that LSP did not change tensile strength of 32CrNi steel but cause yield characteristic transform from obvious yield point to no yield phenomenon which is the only factor benefiting fatigue life, indicating that the increment of fatigue life was probably related to the disappearance of yield phenomenon. Formation mechanisms of tensile fractures and yield phenomenon induced by LSP at room temperature were also discussed and completely revealed. Deeper compressive residual stress and flat grains contributed to the transition of yield characteristic and lower elongation rate of 32CrNi steel subjected to LSP.     

大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求，开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和锻坯试制、大厚度锻件试制、结构设计与制造，结果表明：损伤容限钛合金TC4-DT大型铸锭的成分均匀、大型锻坯和大厚度锻件的抗拉强度变异系数降至约2%，激光冲击、喷丸和冷挤压等对该合金的寿命增益效果显著。损伤容限钛合金TC4-DT在新一代战斗机上获得了广泛应用。     

INVESTIGATIONS ON LASER SHOCK-PROCESSING (LSP) TO IMPROVE FATIGUE LIFE OF SMALL HOLE IN AIRCRAFT STRUCTURES

SupportedbytheFoundationofAFFDThelasershock-processing(LSP)usesmechanics-effectproducedbyinteractionoflaserwithmattertoimprovesurfacepropertiesofmaterials.Thatistosay,anintensiveshort-pulselaserwithhigh-powerisusedtoshockthesurfaceofmetal,whichmakescoatingtovaporize,expand,ionize,andthentoformdetonationwavesthattravelintothemetals.Underthishighpressureoftheshockwavesitheplasticdeformationisproducedandastrengtheningsur-'facelayerisformed-Therefore,thefatigueresistanceisimproved.In199O,theF…     

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.