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发布日期:2025-01-08 03:59 点击次数:1580. 小引
大巨额金属零件失效源于其名义,名义强化工艺不错灵验改善金属名义完好性,提高零件力学性能。常用的名义强化工艺有喷丸强化[1]、超声滚压强化[2]、超声冲击强化[3]、激光冲击强化[4-5]等。其中,激光冲击强化(LSP)具有峰值压力高、应变速度大和生动性好等优点,其通过取悦金属名义塑性变形来改善微不雅结构,引入残余压应力,从而显耀提高金属零件的抗疲钝性[6]、耐磨性[7]、耐腐蚀性[8],因此获取了世俗体恤。
但是,关于难变形材料,激光冲击强化工艺引入的残余压应力影响层深度有限。为搞定这一问题,一些学者提议增添热效应扶植提高材料塑性来普及激光冲击强化遵循的措施[9-10]。YE等[11]以AISI 4140钢为操办对象,提议了以加热板为热源的高温扶植激光冲击强化(WLSP)技巧,WLSP技巧麇集了应变时效和动态析出效应,能在提高训诲材料塑性的同期产生新的千里淀相,灵验提高了残余压应力踏实性,从而增强了抗疲钝性。但是,经受传统加热板为热源进行高温扶植时,其加热生动性差、遵循低,况兼需要使用高温易繁芜的玻璃动作拘谨层,无法用于曲面加工。激光动作一种局部加热阵势,能量密度高,能在短时候内对光斑区域完毕快速精确加热[12]。周建东等[13]研发了一种硬脆材料用高功率相连激光扶植加热+高功率脉冲激光喷丸强化处理相麇集的措施及配套安装,经受胡耀武等[14]在脉冲激光强化的基础上增添多束低功率蓝光半导体激光扶植加热,相较于传统激光冲击强化增强了材料的疲钝性能和断裂韧性。
经受激光对强化面进行扶植加热时受拘谨层影响其加热遵循不领悟。后面相连激光加热不仅不错完毕使用流动水动作拘谨层,还能增强热效应,增多热影响层厚度。现在,联系后面相连激光扶植激光冲击强化遵循的操办领悟不及。为此,作家经受高能激光束局部加热试样后面+脉冲激光冲击强化试样正面的措施对TC4钛合金板进行名义强化处理,以未强化和传统激光冲击强化试样为对比,操办了不同相连激光功率下试样温度、物相、硬度和名义及深度标的残余应力漫衍。
1. 试样制备与训诲措施
训诲材料为退火态TC4钛合金轧制板材,尺寸为1 000 mm×800 mm×2 mm,由宝鸡福瑞隆新材料科技发展有限公司提供,化学要素(质地分数/%)为6.24Al,0.174Fe,4.34V,0.009C,0.000 6H,0.006N,0.141O。
在钛合金板上切取尺寸为30 mm×15 mm×2 mm的试样,试样正面按次经240#~2 000#砂纸打磨并进行超声波清洗后,经受TRLi ST 850-10型Nd∶YAG脉冲激光器和YLR-200-MM-AC型相连波光纤激光器进行相连激光扶植激光冲击强化(AP-LSP),强化区域如图1(a)所示。试样沿预设的扫描旅途移动,脉冲激光和相连激光从两侧同轴区别作用在试样正面和后面,如图1(b)所示。脉冲激光波长为1 064 nm,频率为1 Hz,脉宽为10 ns,激光能量密度为6 GW·cm−2,圆形光斑直径为1.0 mm,搭接率为50%,保护层为120 μm厚的铝箔,拘谨层为流动水;相连激光波长为1 064 nm,圆形光斑直径为6 mm,功率为40~100 W。使用TCM-UA型热电偶和AT61P6X型红外测温仪监测试样正后面温度,测点在激光照命中心区域。强项化前的试样和不进行相连激光扶植的脉冲激光冲击强化试样(工艺参数换取)动作对照。

图 1 相连激光扶植激光冲击强化区域及流程暗意
Figure 1. Area (a) and process (b) diagrams of continuous laser-assisted laser shock peening
经受VK-X200K型激光共聚焦显微镜不雅察试样后面三维神志并测试其名义简约度。经受XRD-7000型X射线衍射仪(XRD)对试样正面进行物相分析,扫描电压为40 kV,扫描电流为30 mA,扫描速度为5 (°)·min−1,扫描边界在30°~90°。经受HV-1000Z型显微硬度计测试试样正面显微硬度,载荷为0.98 N,保载时候为10 s。经受AST-XL640型残余应力测试系统测试残余应力,铜靶,Kα射线,衍射角在135°~148°,测试电压为25 kV,电流为6 mA,准直管光斑直径为2 mm,应力常数为−277 MPa,测试晶面为{213}晶面,{213}晶面的X射线弹性常数�1{213}和12�2{213}区别为−2.83×10−6,11.68×10−6 mm2·N−1,使用sin² Ψ法分析测试罢休。使用由4% HF+ 14% HNO3 + 82% H2O(体积分数)配制而成的溶液对试样进行电解剥层以测试不同深度的残余应力,使用配套的螺旋测微仪测量电解剥层深度,每次腐蚀10 s,每层测3点,直到残余应力为拉应力时扫尾训诲。
2. 训诲罢休与盘考
2.1 后面三维神志和温度
由图2可见:相连激光扶植激光冲击强化前试样后面均呈相连凹凸对抗的峰谷神志,峰谷之间最大高度差为9.4 μm。策画可得不同试样的后面神志相似,后面的名义简约度Ra均在0.94~0.99 μm,因此不错忽略后面简约度各异对相连激光继承率的影响,以为统共试样后面临扶植加热的激光继承率换取。

图 2 相连激光扶植激光冲击强化前不同试样后面三维神志
Figure 2. Three-dimensional morphology of back surface of different samples before continuous laser-assisted laser shock peening
由图3可见:跟着相连激光功率由40 W增大至100 W,试样后面温度从110 ℃提高至310 ℃,呈线性升高;正面温度一样呈高潮趋势,但升温速度减小,最终正面温度踏确凿90~95 ℃。这是因为试样正面除空气外还有流动水拘谨层,跟着激光功率增大,正面温度与水温的温差增大,热流密度增大,单元时候内的传热热量增大,对流换热剧烈,是以正面温度升高趋势渐渐舒缓。

图 3 相连激光扶植激光冲击强化试样正面和后面温度随相连激光功率的变化弧线
Figure 3. Chang curves of front (a) and back (b) temperature vs continuous laser power of continuous laser-assisted laser shock peening sample
2.2 物相构成
TC4钛合金中β相含量较少且漫衍阑珊,XRD检测难以蚁集对应峰。由图4可见:未强化和不同工艺激光强化试样的XRD谱中主要为α相衍射峰;比较未强化试样,激光冲击强化和相连激光扶植激光冲击强化试样的XRD谱中均无新峰出现,标明强化流程中的温度并未达到TC4钛合金的相变温度。

图 4 未强化、激光冲击强化和不同功率相连激光扶植激光冲击强化试样的XRD谱
Figure 4. XRD patterns of samples without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power
2.3 名义硬度
由图5可见:未强化、激光冲击强化试样的正面硬度区别为346.1,368.7 HV,不同功率相连激光扶植激光冲击强化试样的正面硬度在373.9~378.5 HV,功率的变化对硬度影响确凿不错忽略不计。材料硬度主要受晶粒大小和位错密度的影响,激光冲击强化后试样正面上层位错密度增大,硬度提高;相连激光扶植会使试样温度升高,改善其塑性,从而提高强化遵循,但由于温度提高幅度较小(100 ℃以下),同期温度的升高也会加快位错消释,因此相连激光扶植激光冲击强化试样的硬度相较激光冲击强化试样提高不领悟。

图 5 未强化、激光冲击强化和不同功率相连激光扶植激光冲击强化试样的名义显微硬度
Figure 5. Surface microhardness of samples at without strengtheming, laser shack peening and continuous laser-assisted laser shock peening uderd different power
2.4 残余应力
由图6可见:未强化试样、激光冲击强化试样和相连激光扶植激光冲击强化试样的名义残余压应力按次增多。未强化试样的残余压应力由磨抛引入;对其进行激光冲击强化后由于温度升高,材料软化,塑性变形智商提高,因此残余压应力增多;使用高能激光束在其后面进行扶植加热后,在激光冲击效应和加热效应的共同作用下材料的塑性变形智商更强,变形进度更大,使得残余压应力进一步增大。跟着相连激光功率增多,试样名义残余压应力先增多后减小,这是因为在流动水拘谨层的冷却作用下,功率相宜的激光不错在快速对试样进行精确局部加热的同期幸免试样举座温度普及而导致的硬度裁汰和残余应力开释,而激光功率过高则会使热量蕴蓄,使得试样举座处于较高温度,从而导致残余应力浮松[15]。

图 6 不同处理态试样的残余应力沿深度标的漫衍
Figure 6. Residual stress distribution along depth direction of samples at different treatment states
未强化试样、激光冲击强化试样和相连激光扶植激光冲击强化试样的残余压应力影响层深度按次增大;跟着相连激光功率增多,残余压应力影响层深度先增后减,当相连激光功率为60 W时达到最大,为470 μm,比较激光冲击强化试样(370 μm)增多了100 μm。跟着距材料正面(强化面)距离增多,激光冲击波峰值压力渐渐衰减,取悦塑性变形智商松开;增多相连激光后面扶植加热后材料声阻抗减小,减缓了冲击波在材料里面的衰减,使得冲击波传播距离更远,约略取悦更深处的材料发生塑性变形;但是,相连激光作用导致的残余应力增多和温度升高引起的残余应力浮松存在竞争机制,激光功率过大时反而会使残余应力大小和影响层深度减小[15]。
3. 论断
(1)跟着相连激光功率增大,相连激光扶植激光冲击强化TC4钛合金试样后面温度呈线性升高,正面温度一样升高但升高趋势变缓,渐渐趋于巩固,且强化流程中温度的升高未激励TC4钛合金相变。
(2)相较未强化和激光冲击强化试样,相连激光扶植激光冲击强化试样的正面硬度增大,但相连激光功率变化对硬度无显耀影响。
(3)相较未强化和激光冲击强化试样,相连激光扶植激光冲击强化试样的名义残余压应力和残余压应力影响层深度增多,况兼二者均跟着相连激光功率增多呈先增多后减小的趋势,当相连激光功率为60 W时达到最大,区别为431.4 MPa,470 μm。
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