大尺寸弹丸喷丸成形2024-T351铝合金表面质量研究

针对2024-T351铝合金进行直径3mm大弹丸喷丸成形及直径0.58mm小弹丸喷丸强化试验,观测试样在不同喷丸参数下的表面形貌,并对表层显微硬度及残余应力分布进行测试,为整体壁板喷丸成形的工艺设计提供重要依据。     

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。     

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。     

喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展

综述了喷丸强化技术对材料表层残余应力分布、显微组织结构、表面粗糙度和表层硬度分布等表面完整性因素影响的研究进展,阐述了不同喷丸强化技术与材料表面完整性因素间的关系以及基于表面完整性调控的喷丸强化技术的发展趋势.     

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     

喷丸强化Ti6Al4V钛合金的数值模拟

为了更加真实地模拟Ti6Al4V钛合金的喷丸强化过程,建立了一个基于概率控制多弹丸冲击靶面位置的三维喷丸有限元模型,以考虑喷丸强化过程中弹丸之间的相互作用。模拟了喷丸角度为60°和90°的两种工况,结果表明:对于相同的弹丸尺寸和初始速度,达到完全喷丸覆盖率和饱和喷丸强度,60°喷丸角度工况在单位受喷面积上需要的弹丸个数为15/D2(D是弹丸直径),90°喷丸角度工况需要的弹丸个数为35/D2;在达到完全喷丸覆盖率的过程中,随着弹丸个数的增加,喷丸强化的残余压应力逐渐增大并趋于稳定,而受喷表面粗糙度基本呈线性增大;在完全喷丸覆盖率下,相对于60°喷丸角度工况,90°喷丸角度工况的表面残余压应力较小,但最大残余压应力较大,表面粗糙度也较大。      

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。     

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.      

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。     

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。     

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。     

34CrNiM06钢复合喷丸强化的有限元模拟

为了研究复合喷丸的工艺效果,利用ABAQUS有限元仿真软件进行模拟分析,建立了34CrNiMo6钢随机多弹丸的周期性三维有限元模型.首先对所提出的周期性有限元模型进行周期性验证和试验验证,然后利用周期性有限元模型对复合喷丸的强化效果、不同喷丸强度对残余应力场的影响进行分析.结果表明:该周期性三维有限元模型可有效模拟喷丸强化效果;复合喷丸强化使34CrNiMo6钢表面产生的残余应力和最大残余应力均高于单一喷丸产生的,且表面残余应力分布更加均匀,但最大残余应力所处深度不变;复合喷丸可得到更小的表面粗糙度.     

34CrNiMo6钢复合喷丸强化的有限元模拟

为了研究复合喷丸的工艺效果,利用ABAQUS有限元仿真软件进行模拟分析,建立了34Cr Ni Mo6钢随机多弹丸的周期性三维有限元模型。首先对所提出的周期性有限元模型进行周期性验证和试验验证,然后利用周期性有限元模型对复合喷丸的强化效果、不同喷丸强度对残余应力场的影响进行分析。结果表明:该周期性三维有限元模型可有效模拟喷丸强化效果;复合喷丸强化使34Cr Ni Mo6钢表面产生的残余应力和最大残余应力均高于单一喷丸产生的,且表面残余应力分布更加均匀,但最大残余应力所处深度不变;复合喷丸可得到更小的表面粗糙度。     

激光喷丸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头的影响

以7075铝合金试样的搅拌摩擦焊接头为对象,利用激光喷丸和常规喷丸工艺对其进行后续处理,通过试验对比分析了激光喷丸工艺对表面粗糙度、显微硬度、接头残余应力、裂纹扩展、疲劳寿命的影响。结果表明,经激光喷丸处理的搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度远小于常规喷丸处理的接头表面,而对接头显微硬度的影响差异不大。激光喷丸可改变接头的残余应力分布,是增强搅拌摩擦焊接头抗疲劳性的有效方法,对其他焊接接头及构件的激光喷丸处理具有一定的参考价值。     

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。     

高速冲击表面处理对金属材料表面完整性的影响

喷丸、激光冲击和表面机械研磨等高速冲击表面处理技术可有效提高金属材料的抗疲劳性能、耐应力腐蚀性能和耐磨损性能等,已广泛应用于国内外航空航天、汽车、船舶以及核工业等领域。本文对喷丸、激光冲击和表面机械研磨的基本原理和工艺特点进行介绍,综述了相关高速冲击表面改性技术对铝锂合金、高温合金、钛合金和高强度钢等先进材料表面粗糙度、表层残余应力、显微硬度以及表层微观组织等表面完整性参数的影响规律,最后对高速冲击表面处理技术在国内的研究与发展进行了展望。     

高速铣削参数对TC17钛合金表面变质层的影响

为优化TC17钛合金球头铣刀高速铣削参数和为控制表面变质层提供实验依据,采用中心复合响应曲面法,建立表面粗糙度预测模型,采用方差分析对模型和输入参数的显著性进行检验,分析铣削参数对表面粗糙度的影响规律,同时对高、中、低三种铣削参数水平下的残余应力、显微硬度和微观组织进行检测。结果表明:该模型可以有效预测球头铣刀高速铣削TC17钛合金后的表面粗糙度,每齿进给量和铣削宽度对表面粗糙度影响显著;铣削后表面为残余压应力状态,随着铣削参数水平的增大,表面残余压应力增大,残余压应力层在20μm左右;表层显微硬度经历了"热软化-加工硬化-趋于稳定"的过程;表层晶粒出现了破碎、弯折,塑性变形层厚度约为10μm。     

铣削参数对GH4169高温合金表面完整性的影响

通过球头铣刀铣削工艺试验和表面状态测试,采用响应曲面法研究了铣削参数对GH4169高温合金表面完整性的影响,建立了表面粗糙度和表面残余应力预测模型,获得了铣削后GH4169高温合金表层微观力学和微观组织分布。结果表明：表面粗糙度与每齿进给量和铣削深度呈正相关,表面残余压应力与铣削深度呈正相关,与进给量呈负相关,随着铣削参数水平的增大,铣削表层趋向于残余拉应力状态;表层出现加工硬化现象,铣削参数水平的增大使得硬化层加深,最大硬化层深度约为65 m;近表层晶粒被切断破坏,发生了塑性流动,塑性变形层深度在10～25 m范围。     

喷丸强化对DZ4定向凝固高温合金高温旋转弯曲疲劳性能的影响

对DZ4定向凝固高温合金进行喷丸强化。利用表面轮廓仪、硬度计和扫描电镜等设备研究了表面粗糙度、显微硬度、组织结构等表面完整性的变化。在820℃高温下进行了光滑和缺口试样的旋转弯曲疲劳试验。结果表明,由于喷丸强化效应和弱化效应基本相当,喷丸强化工艺对提高DZ4定向凝固各向异性材料光滑试样高温疲劳性能效果不显著;但对于具有应力集中的缺口试样,由于喷丸弱化作用引起的应力集中效应被缺口应力集中所掩盖,喷丸强化效果比较显著。