TC4钛合金激光冲击强化数值模拟

采用连续显式动态冲击策略对航空用TC4钛合金进行激光冲击强化数值模拟研究.根据冲击波能量变化曲线确定单次冲击求解时间为3000ns,并分析了应力波传播过程.在此基础上开展多点冲击模拟,分析了功率密度、冲击次数和光斑搭接率对残余应力、应变场的影响.得出增加功率密度对增大表面残余压应力的效果更好;增加冲击次数对增大残余压应...     

激光冲击强化对TC17钛合金模拟叶片疲劳极限的影响

通过振动疲劳试验探究了激光冲击强化(LSP)对带根部倒圆的TC17钛合金叶片一阶弯曲疲劳极限的影响,结合疲劳断口、组织观察和残余应力测试等方法分析了激光冲击强化提高叶片疲劳极限的强化机制。结果表明,激光冲击强化对TC17钛合金叶片的一阶弯曲振动频率无影响,但显著提高了叶片的疲劳极限(约8%)。冲击强化后叶片的金相组织无显著变化,但表层晶粒组织明显细化,并在距离材料表面50μm的深度范围内形成剧烈塑性变形区,材料表面产生了不小于466 MPa的残余压应力。晶粒细化和残余压应力是叶片疲劳极限提高的直接原因。     

激光冲击TC17钛合金诱生的微结构的特征及热稳定性

研究激光冲击(Laser shock peening,LSP)诱生TC17钛合金的表层梯度微结构特征及其热稳定性具有重要的理论与应用价值。TEM的研究结果表明:LSP处理后,靠近基体处以较高密度形变孪晶和位错为主;越接近冲击表面应变速率越高,发生孪生的原子来不及进行位置重排、孪晶数量较少,因而以高密度位错缠结、位错胞以及位错胞转变成的亚微米级亚晶为主;最表面晶粒平均尺寸由原始～43μm瞬间细化至～396nm,表面晶粒瞬间显著细化是旋转动态再结晶的结果。LSPed试样经573K/1h退火后各深度处的位错密度降低,孪晶密度/位错胞以及最表面晶粒尺寸变化不大;而LSPed试样经673K/1h退火后其各深度处的位错密度下降更明显,孪晶数量也有所下降,而位错胞和最表面晶粒平均尺寸长大明显;673K是激光冲击TC17钛合金诱生的微结构的热稳定临界温度,维氏硬度试验结果也表明当退火温度达673K后硬度值下降明显。     

TC11钛合金高温流变行为及组织演变

通过热压缩试验研究了具有β转变组织的TC11钛合金在温度1030～1090℃和应变速率0.001～10s-1范围内的流变行为和组织演变.分析了该合金在试验参数范围内变形的应力-应变曲线特征.动力学分析获得β区变形的应力指数和变形激活能分别为3.32和135.5kJ×mol-1,表明β区的热变形主要受扩散所控制.组织观察发现,试验条件下原始β晶粒有两种细化方式,一种是以变形拉长的原始β晶粒晶界布满项链状的细小均匀的新晶粒为特征的晶粒细化方式;另一种是以变形拉长的具有锯齿形晶界的原始β晶粒内部布满细小均匀的新晶粒为特征的晶粒细化方式.高温变形后保温期间的软化行为表明,原始β晶粒的细化方式取决于变形过程中位错的产生和消失之间的竞争机制.     

喷丸强化对TC17钛合金表面残余应力的影响

利用ANSYS Work Bench动态分析模块模拟喷丸强化过程,建立简化喷丸强化数值模型,通过模拟喷丸工艺参数改变对强化效果的影响,考察喷丸在不同表面形态时对表面残余应力的影响,便于进一步估测这一典型表面加工工艺对疲劳性能的影响。     

激光冲击中应力状态和显微组织变化对金属疲劳性能影响

从应力状态与显微组织的变化两个方面分析了激光冲击强化改善金属疲劳性能的机理.首先研究了残余应力的作用,认为激光冲击强化产生的残余压应力降低了零部件承受的平均应力水平.然后利用位错理论分析了金属经激光冲击强化引起的显微组织变化,认为激光冲击强化在材料表层产生了大量位错、晶界以及亚晶界等缺陷,这些缺陷阻碍了位错的移动,使金属得到强化.     

激光选区熔化成形TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能

对3mm厚激光选区熔化成形(SLM)TC4钛合金对接接头进行了激光焊接工艺试验,研究了80J/mm和100J/mm两种能量输入对接头焊缝成形、微观组织及接头力学性能的影响.结果表明,在两种不同焊接能量输入条件下,激光焊接SLM成形TC4钛合金获得良好的焊缝成形,焊缝区的平均显微硬度分别为388.7HV及403.3HV,...     

TC21钛合金喷丸强化层微观组织结构及性能变化

采用透射电子显微镜、X射线衍射仪和纳米压痕仪对TC21钛合金表面喷丸强化层内的微观结构和纳米压痕力学性能进行了研究。结果表明,TC21钛合金表面经喷丸强化后,在表层形成一个弹塑性变形层。强化过程中由于密排六方晶体的基面、柱面和锥面滑移系的开动,造成位错密度升高,α相中位错形貌呈现网状;强化前纳米压痕硬度为3.2GPa,强化后为6.7GPa,提高1倍以上。在强化层内形成很高的宏观残余压应力,并且表现为由表面向里逐渐减少的梯度变化。强化层深度达到370μm。     

TC11 粉末钛合金的微观组织及其形成机理

通过旋转电极制粉及后续的热等静压工艺制备了全致密的TC11粉末钛合金,分析了材料的微观组织,通过理论分析和有限元模拟的方式探讨了材料独特的微观组织的形成机理.分析结果表明:粉末冶金TC11的微观组织主要由条片α+相间β相组成,同时还有部分细小的等轴α分布在粉末颗粒界面处.这种独特的微观组织是由两种工艺共同作用产生的.     

热处理对激光快速成形TC21钛合金组织和硬度的影响

采用激光快速成形技术制备出TC21钛合金块状坯料,研究了去应力退火及固溶时效热处理对成形件组织和硬度的影响。结果表明:去应力退火后,成形件组织和显微硬度基本无变化;固溶+时效热处理后,原沉积态明暗两区统一,硬度基本无差别,表明组织已均匀化。随着固溶温度的升高,网篮组织中的α片变宽,球状α相的数量增多,晶界α相发生粗化。当固溶温度为932℃时,成形件沉积态中粗大的柱状晶发生再结晶,转变为较细小的等轴晶。     

激光冲击强化提高外物打伤钛合金模拟叶片高周疲劳性能

为指导钛合金叶片抗外物打伤激光冲击强化工艺设计,根据真实叶片叶型特征设计了刃口型模拟叶片,采用两种激光冲击强化工艺对模拟叶片进行预处理,并采用空气炮系统进行外物打伤模拟试验,最后通过疲劳试验和应力场预测进行疲劳性能影响规律及机理分析.试验结果表明:模拟叶片外物打伤后疲劳强度由518.45MPa降为290.72MPa,而...     

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。     

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.      

高低周复合载荷对TC11钛合金疲劳性能的影响

为了解高周振动应力对TC11钛合金疲劳性能的影响,进行了TC11的低周疲劳、高周疲劳、以及高低周复合疲劳试验.试验结果表明:高低周复合循环降低了TC11钛合金的抗疲劳性能;复合循环载荷中,高周平均应力水平 σ _major和应力比 R _minor对高低周复合寿命有较大的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)比较分析了不同类型载荷下的断口宏观和微观形貌特征,高低周复合疲劳断口与高周断口有较明显的区别,高低周复合载荷中的低周循环引起的较大滑移是引起疲劳寿命降低的主要原因.      

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.      

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

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.     

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。      

TC11饼材模内成型工艺优化

通过对TC11钛合金饼材制坯工艺的研究,总结出热加工与探伤水平、力学性能、组织的关系,使其各项指标达到良好匹配.