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。     

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。     

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。     

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。     

TB6钛合金激光喷丸与机械喷丸残余应力场有限元模拟

利用有限元软件建立了TB6钛合金激光喷丸以及机械喷丸的三维数值分析模型,研究了不同工艺参数对残余应力场的影响;对比了两种喷丸工艺所形成的应力波和各自的衰减规律;研究了两种喷丸工艺的复合强化工艺对残余应力场的影响。结果表明:激光喷丸形成的平面波造成较深的应力影响层,深度可达1.5mm;机械喷丸形成的球面波产生较大的残余应力,最大残余压应力可以达到屈服强度的1.1倍。塑性应变越大残余应力越大,塑性应变层与残余应力影响层深度相近;在两者复合强化工艺中,残余应力影响层深度与激光喷丸的相近,最大残余压应力可达屈服强度的1.2倍。     

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。     

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。     

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。     

增材制造γ–TiAl合金超声喷丸表面完整性数值及试验分析

为探究超声喷丸对增材制造γ–TiAl合金表面完整性的影响特性,验证有限元数值模型的可行性,以电子束熔化制备的γ–TiAl合金试样为研究对象,建立超声喷丸三维有限元模型,对不同喷丸参数下试样表面粗糙度及应力场分布进行仿真分析。采用不同喷丸参数对试样表面进行0.15 A、0.25 A两种喷丸强度的超声喷丸试验,揭示喷丸工艺对电子束熔化γ–TiAl合金微观形貌、残余应力分布、表面粗糙度及显微硬度等表面完整性的影响规律,验证仿真模型的有效性。结果表明,超声喷丸处理后,试样表层晶粒尺寸得到细化,产生了由表层至深层的晶粒尺寸梯度变化,形成了约150～250μm深的残余压应力层;此外,相同弹丸直径下,提高喷丸强度可显著增加试样表面粗糙度均值的分布,相同喷丸强度下,增加弹丸直径可有效降低试样表面粗糙度;超声喷丸试样表面显微硬度相对未喷丸试样表面（305HV）提高显著,最大显微硬度均出现在距离表层最近的测量点位置,其影响层深度可达300～500μm。     

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.      

9310钢螺旋锥齿轮喷丸强化残余应力场计算仿真研究

喷丸加工诱导零件表面产生残余压应力场以提高零件疲劳寿命,是螺旋锥齿轮的关键强化工艺。为准确计算喷丸后齿面残余应力场,基于离散元与有限元耦合的方法提出一种螺旋锥齿轮喷丸工艺计算仿真模型。模型计算结果与试验结果误差在10%以内,表明模型可准确预测齿面残余应力分布。基于该模型,以AISI 9310材料螺旋锥齿轮为研究对象,探讨了喷丸工艺参数与残余应力场特征参数的关联规律。研究发现,本文所用工艺参数加工：（1）喷丸工艺主要影响轮齿表层50μm内的残余应力场;（2）喷丸覆盖率为200%时,弹丸直径和速度的改变,对表面残余压应力影响较小;（3）当弹丸速度和直径提高时,靶板表层最大残余压应力值和最大残余压应力深度都得到明显提高,其中最大残余压应力值可提高到–1251.5 MPa,最大残余压应力深度可提高到40μm。本文建立的残余应力计算模型为螺旋锥齿轮的喷丸工艺参数优选提供了计算工具与方法,把依赖试错迭代的工艺方法上升到可计算、可预测的层面。     

TC17钛合金超声喷丸强化均匀性表征分析

为探究TC17钛合金超声喷丸强化均匀性量化表征方式，分析了0.2A喷丸强度下超声喷丸与传统喷丸对TC17钛合金表面与截面形貌分布状态的影响，结果表明，传统喷丸弹丸冲击方向离散度较小，法向冲击较多，引起凹坑深度及凸起程度较高，出现堆叠、孔隙等特征，表面粗糙度较高。超声喷丸试样受离散冲击引起的切应力影响，表面形貌相对平坦，截面近表层区域晶粒尺寸呈梯度分布明显，表面与截面变形一致性程度高     

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。     

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。     

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.      

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。     

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。