曲轴表面激光冲击强化的数值仿真
表面形变强化技术研究现状
表面形变强化技术的研究现状 摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。 关键词：表面形变；滚压；内挤压；喷丸 材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段 （包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品 （尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。 １表面形变强化原理 通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达０．５～１．５ｍｍ），从而使表面层硬度、 强度提高。 ２表面形变强化工艺分类 主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。 ２．１喷丸强化工艺 喷丸是广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、 抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。 ２．１．１喷丸强化工艺的工作原理 喷丸处理是一种严格控制的冷加工表面强化处理工艺，其工作原理是：利用球形弹丸高速撞击金属工件表面，使之产生屈服，形成残余压缩应力层。形成压缩应力层的目的是预防工件疲劳破坏，把易产生疲劳破坏裂纹部位的抗应力转为压应力，从而有效地控制裂纹扩展。２．１．２喷丸强化的发展状况 １９０８年，美国制造出激冷钢丸，金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展，而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。１９２９年，在美国由Ｚｉｍｍｅｒｌｉ等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化，取得了良好的效果［１］。２０世纪４０年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了６０年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。７０年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。 进入８０年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推广应用，到了９０年代其应用范围进一步扩大，如电镀前进行喷丸处理可防止镀层裂纹的发生［２］。 最近几年，随着工业技术的迅猛发展和需求，人们对这一操作简单、效果显著的表面处理技术给予了极大的关注，开发了多种新工艺，下面将包括机械喷丸在内的多种新喷丸工艺原理和特点逐一介绍。 ２．１．２．１机械喷丸
对于表面形变强化技术的现状分析
对于表面形变强化技术的现 状分析 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
对于表面形变强化技术的现状分析 来源：中国论文下载中心作者：未知 摘要：表面强化是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一。常用的金属表面形变强化方法主要有滚压、内挤压和喷丸等工艺，其强化效果显著，成本低廉。笔者主要概括了表面强化技术的分类、目的和作用，分析了形变强化方法的特点以及目前表面强化主要研究方法的现状和发展趋势。 关键词：表面形变；强化技术；滚压；内挤压；喷丸 引言 材料表面处理技术简称材料表面技术，是材料科学的一个重要分支，是在不改变基体材料的成分和性能（或虽有改变而不影响其使用）的条件下，通过某些物理手段（包括机械手段）或化学手段来赋予材料表面特殊性能，以满足产品或零件使用需要的技术和工艺。材料表面技术在工业中的应用，大幅度提高了产品（尤其是金属零件）的性能、质量和寿命，并产生了巨大的经济效益，因而深受各国政府和科技界的重视。 1 表面形变强化原理 通过机械手段（滚压、内挤压和喷丸等）在金属表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使表面层硬度、强度提高。 2 表面形变强化工艺分类 表面形变强化主要有喷（抛）丸、滚压和孔挤压等三种工艺。 2.1喷丸强化工艺 喷丸是国内外广泛使用的一种在再结晶温度以下的表面强化方法，可显著提高抗弯曲疲劳、抗腐蚀疲劳、抗应力腐蚀疲劳、抗微动磨损、耐蚀点（孔蚀）能力，它具有操作简单、耗能少、效率高、适应面广等优点，是金属材料表面改性的有效方法。 2.1.1喷丸强化的发展状况 1908年,美国制造出激冷钢丸,金属弹丸的出现不仅使喷砂工艺获得迅速发展,而且导致了金属表面喷丸强化技术的产生。1929年,在美国由Zimmerli 等人首先将喷丸强化技术应用于弹簧的表面强化,取得了良好的效果[1]。20 世纪40年代，人们就发现了喷丸处理可在金属材料表面上产生一种压缩应力层，可以起到强化金属材料、阻止裂纹在受压区扩展的作用。到了20世纪60年代，该工艺逐步应用于机械零件的强化处理上。20世纪70年代以来，该工艺已广泛应用于汽车工业，并获得了较大的经济技术效益，如机车用变速器齿轮、发动机及其他齿轮均采用了喷丸强化工艺，大幅度提高了抗疲劳强度。 进入20世纪80年代后，喷丸处理技术在大多数工业部门，如飞机制造、铁道机车车辆、化工、石油开发及塑料模具、工程机械、农业部门等推 2
激光冲击强化技术发展现状与展望教学内容
激光冲击强化技术发展现状与展望
激光冲击强化技术发展现状与展望 摘要：首先简介了激光冲击强化的基本原理和技术优势；然后简述了该技术在国内外的发展和应用情况，扼要介绍了我国激光冲击强化技术研究现状和近期取得的主要进展；最后对激光冲击强化技术的发展进行了展望。我国激光冲击强化设备和技术已基本成熟，可以进入工业应用。 关键词：激光冲击强化；冲击波；表面处理；疲劳 长期以来，我国多型航空发动机在使用过程中出现了由于发动机叶片打伤、疲劳断裂和腐蚀等造成的重大故障和事故，直接影响了发动机使用安全性和寿命，成为我军航空装备的重大问题。飞机结构连接件、壁板及小孔边等裂纹也成为限制寿命的重要因素。 飞机和航空发动机结构大量采用金属材料，金属材料的主要失效形式疲劳和腐蚀均始于材料表面，所以金属材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。为此，人们采用喷丸、滚压、内挤压等多种表面强化工艺来改善金属表面性能。利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的新技术称为激光冲击强化技术（简称LSP ），由于其表面强化效果好，自产生之日起就得到了广泛的关注和研究。1998年该技术被美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一。美国上世纪90年代后期开始的航空发动机高频疲劳研究计划中，将激光冲击强化技术列为工艺技术措施首位。2005年，研制激光冲击强化系统的MIC 公司获美国国防制造最高成就奖。美国将该技术列为第四代战斗机发动机关键技术之一，足见该项技术的重大价值。 1 激光冲击强化技术简介 当短脉冲(几十纳秒内)的高峰值功率密度(9210/W cm )的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层（涂覆层）吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压(GPa)等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残
激光冲击强化提高压气机叶片疲劳性能研究_何卫锋
第26卷第7期2011年7月 航空动力学报 Journal of Aerospace Power Vol.26No.7 Jul.2011 文章编号:1000-8055(2011)07-1551-06 激光冲击强化提高压气机叶片疲劳性能研究 何卫锋,李应红,李 伟,李玉琴,李启鹏 (空军工程大学工程学院,西安710038) 摘 要:根据1Cr11Ni2W2M o V 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660M Pa 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.关 键 词:激光冲击强化;压气机叶片;振动;疲劳寿命;残余应力中图分类号:T G665;V216.3 文献标志码:A 收稿日期:2010-05-13;修订日期:2010-11-11 作者简介:何卫锋(1977-),男,湖南桃江人,讲师,博士,主要从事激光冲击强化技术研究. Laser shock peening on vibration fatigue behavior of compressor blade H E We-i feng,LI Ying -hong,LI Wei,LI Yu -qin,LI Q-i peng (The Engineering Institute, Air For ce Engineering U niv ersity ,Xi an 710038,China) Abstract:According to the m echanical perfo rmance of the 1Cr11Ni2W2M oV stainless steel,the technical param eters of laser shock peening (LSP)w ere determ ined.T he standard coupons w ith/w ithout LSP w ere tested fo r examining the fatigue perfo rmance.It prov es that LSP,w ith the selected parameters,can im pro ve the stainless steel's vibration fatig ue life re -m ar kably.Fr om the ex periment results o f coupons,the v ibration fatigue experiment for the com pressor blade in one certain aero -eng ine w as designed according to the structur e and loads of the blade.T he treated zo ne w as desig ned on the surface where the vibratio n stress is the most severe.In order to avoid m acrosco pical deform ation,the blades w ere treated o n both sides sim ultaneously.This confir ms that different sectio n parameters after LSP on the blade ar e w ithin the range of desig n r equests.The vibration fatigue results indicate that the S -N (stress -number of cy cles)curve w ith LSP mo ves up as compared w ith that one w ithout LSP.When the max vibratory stress w as about 660MPa,the blade fatigue life w ith LSP w as pro -lo ng ed for 70%.Finally,the reasons w ere analyzed fr om the residual com pr essive stress and micro str ucture after LSP. Key words: laser shock peening;co mpr essor blade;vibratio n;fatigue life;residual stress 激光冲击强化(LSP)采用短脉冲(几十纳秒)的高峰值功率密度(>109 W/cm 2 )的激光辐照金属表面,使金属表面涂覆的吸收保护层吸收激光 能量并发生爆炸性气化蒸发,产生高压(>1GPa)的等离子体冲击波,利用冲击波的力效应使表层材料微观组织发生变化,在较深的厚度上残留压
基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化
《现代设计理论与方法》 基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化 班级机械工程 学号 姓名
基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化 一、激光冲击金属表面强化的国内外现状 金属材料的失效形式主要是于材料表面的疲劳、腐蚀和磨损,所以材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。激光冲击强化是利用短脉冲( 一般在5 0s n以内)、高功率密度的激光通过透明约束层，作用于金属表面所涂覆或帖附的吸收层上，吸收层吸收激光能量后迅速气化。形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。 激光冲击的研究可以追溯到1963年，White首先发现了激光诱发冲击波现象[5l,这一发现为激光冲击技术的应用拉开了序幕。目前激光冲击强化在美国已历经三十多年的发展，技术逐渐成熟。2000年以来,高能激光冲击强化技术研究水平有了新突破,应用领域有了新的拓展,其中一些成果受到世人瞩目。利弗莫尔(livemore)实验室在YMP研究计划中进行了304不锈钢的耐腐蚀实验,证实激光冲击后的不锈钢试样耐腐蚀性能获得了极大提高。高能束激光冲击技术可用于核废料储存容器焊缝的处理,以及改善核反应器的安全性与可靠性,延长反应器零件的工作时间,从而使沸水反应器和压力水反应器具有更长的服役时间和更低的运行成本。日本东芝为了将激光冲击处理技术用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化,专门设计了激光冲击伸缩强化头,可深入内壁实施强化。 我国对激光冲击处理技术的研究始于上世纪90年代。中国科技大学、华中科技大学、南京航空航天大学等单位在这方面已做了大量的基础研究,但还没有工化应用。1991年我国高功率(109w/cm2)激光装置通过鉴定,激光冲击强化的研究才真正开始。1993年,在国家有关部门支持下,中国科技大学与南京航空航天大学、成都飞机设计研究所等单位合作,采用特制的激光冲击处理实验装置,对激光冲击进行了一系.列的研究,有效地强化了碳钢、合金钢及镍基高温合金钢。“九
激光表面强化及再制造加工技术在工业领域讲解
激光表面强化及再制造加工技术在工业领域 激光表面强化及再制造加工技术是一种集光、机、电、计算机、材料、物理、化学等多门学科的跨学科高新技术，因其特有的无污染、低能耗、易于自动控制等优势而迅速发展成为一种先进的表面加工技术。该技术历经二十余年的进步，伴随着高功率激光器、装备智能化控制和材料技术的不断升级和改进，已越来越多应用到工业零部件的强化和再制造中。 一、激光表面强化及再制造加工技术分类及简介 激光表面强化及再制造加工技术可以在不改变金属零件表面金属成分的条件下提高零件表面的机械性能，也可以对金属零件磨损或者拉伤的部位进行类同质熔覆修复、恢复形貌尺寸和性能，还可以对一些金属零件关键部位添加合金或者陶瓷材料进行表面改性，大大提高该部位防腐耐蚀、耐磨、高温抗疲劳等性能。激光表面强化及再制造加工技术特点：无污染、可控性好、热影响区小、组织缺陷少、处理效果好、便于实现自动化。国内外广泛使用的激光表面强化及再制造加工技术主要分三种：激光淬火、激光再制造（熔覆）、激光合金化。以下对这三类技术及特点简单介绍： 1.激光淬火技术 采用高能量激光作为热源，使金属表面快热快冷，瞬间完成淬火过程，得到高硬度、超细的马氏体组织，提高表面的硬度及耐磨性，并且在表面形成压应力，提高疲劳强度。图2-4为几种典型材料激光淬火层的组织和横断面硬度分布。
图1半导体激光淬火设备及淬火示意图
图2GCr15激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度15mm/s）
图342CrMo激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s）
图47CrSiMnMoV激光淬火硬度及组织照片（激光功率2.2kW，速度10mm/s） 激光淬火特点：变形小、形成残余压应力、硬度高、淬火层深度硬度可控、环保（无需水、油等淬火液）、易于实现自动化控制，该工艺不需添加功能合金材料。 2.激光合金化技术 采用高能量激光作为热源，照射通过喷涂在工件表面预制好的超细金属或金属陶瓷合金化材料，使之在高能密度激光束作用下快速渗透熔凝，从而改变工件表面成分，获得组织细密、高耐磨合金层，大幅提高工件高温腐蚀条件下的耐磨性能。图5-7为几种典型材料激光合金化的组织和硬度分布。
机械加工强化机理与工艺技术研究进展 李拓宇
机械加工强化机理与工艺技术研究进展李拓宇 发表时间：2019-02-22T14:25:51.553Z 来源：《防护工程》2018年第32期作者：李拓宇 [导读] 人们要充分利用现有的科学技术成果，促进机械加工强化机理与工艺技术的应用，以满足机械产品加工的复杂性需求。 哈尔滨轴承集团公司黑龙江哈尔滨 150036 摘要：人们要充分利用现有的科学技术成果，促进机械加工强化机理与工艺技术的应用，以满足机械产品加工的复杂性需求。事实证明，只有这样才能推动机械制造业快速稳定地向前发展。因此，相关人员应将上述内容与科研结果更多地作用于各类机械产品加工中，使工艺技术发挥出更大的价值。 关键词：机械加工；强化机理；工艺技术；研究进展 引言： 在机械加工过程中，我们要在保证了机械加工产品质量的前提下考虑机械企业的利益，合理的控制机械加工的每一个环节，熟练掌握机械加工的工艺，尽量将机械加工工艺的误差缩到最小，提高机械产品的质量就能推动机械加工企业的生存和发展，也能推动我国机械加工业的可持续发展。 1机械加工工艺的概述 机械技工是指利用传统机械加工的方法，按照图纸的图样和尺寸，使毛坯形状、尺寸的相对位置和性质成为合格零件的全过程，加工工艺是工人进行加工前所需要做的工作，避免在加工过程中发生加工失误，造成经济损失。总的来说，加工工艺是每个步骤的详细参数，也就是详细标准和要求。加工工艺的选择是机械加工工程的基础，若加工工艺的选择不够好，那么将会直接影响机械加工产品的质量。 2 机械加工强化机理 2.1 位错强化 在众多的材料强化过程中，位错强化是一种有效的强化方法。当材料发生塑性形变时，位错间相互作用可以提高材料的位错密度，而位错运动受到阻碍时候发生塞积。这种塞积现象可以提高材料的硬度。温度对于金属的位错强化也会产生影响，而不同种类的金属，其产生的影响大小也是不同的。而这种现象被成为热激活效应。材料在其临界温度时，当温度继续升高，位错作用减弱，位错运动继续进行。实际中，如果温度高于临界温度，随着温度升高，此时位错运动收到的阻碍变小，而材料中流变应力却不变。故在对金属材料进行硬化的时，应对零件的工作环境温度情况予以考虑，从而确定材料的临界温度，避免零部件在高温下工作时强度降低而发生形变，对设备造成不利影响。 2.2 晶界强化 晶界强化是指运用向钢锅中加入表面活性元素或者细化晶粒的方法提高钢的持久性以及蠕变极限。晶界强化可以显著提高材料的耐用度，是一种较为常见的强化方式。晶界强化的作用主要表现在两个方面，一个是直接层面一个是间接层面。直接层面主要是由晶体本身带来的，晶体本身的位错塞积可以对滑移产生一定的阻碍作用，间接层面是由晶界的不相容性带来的，为了集中晶界影响区的高应力就必须在最大程度上增大晶界的强化作用。因此总的来说，晶界的强化虽然可以显著提高材料的强度但是由于存在塑性应变不相容的隐患，可能会导致机械材料过早的疲劳失效。 2.3 应变强化 应变强化又被称为加工硬化是指在材料变形的过程当中，通过错位运动，使金属材料的强度和硬度都有所提高，但材料的塑性、韧性会在一定程度上下降，而这一系列的塑性变形过程都是发生在结晶温度以下。这种过程产生的原因是，金属材料在进行塑性变形的时候，其内部的晶粒发生错位滑移，使其内部晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部发生了结构变化，这种反应最终会显著提高金属材料、零件等表面强度，提高零件和构件的安全度，可得到截面变形均匀一致的冷冲压件，可以改进低碳钢的切削性能，使切屑易于分离。 2.4 固溶强化 固溶强化是指溶质原子溶入之后，会引起溶剂金属的晶格产生畸变，从而使位错运动受到的阻力增大，这种方法其本质就是利用合金元素，提高合金强度与硬度，但是使用这种方法时，影响最终机械材料的硬度的因素有很多，例如，溶质原子的原子分数、溶质原子与基体金属的价电子数目等。因此此方法在使用时要严格注意其溶质浓度，需要考虑全面，合理控制溶质原子的数目。 3 机械加工强化工艺与装备技术 3.1 喷丸工艺技术 喷丸强化，也称喷丸处理。是减少零件疲劳，提高寿命的有效方法之一，喷丸处理就是将高速弹丸流喷射到零件表面，使零件表层发生塑性变形，而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于零件表面压应力的存在，当零件承受载荷时可以抵消一部分应力，从而提高零件的疲劳强度。现阶段，喷丸强化这种技术主要应用在机械加工领域，同时在实践中已经取得了不错的成效，尤其是长期处在腐蚀环境下的零部件，在经过这种方法处理后，材料耐用性得到了极大的提高。喷丸技术发展到现在，已经出现了超声喷丸工艺与高压水喷丸工艺这两种主流工艺。超声喷丸工艺需要将待加工零件置于真空中，利用超声波使弹丸发生机械振动，达到强化材料的目的。同其他方式相比，超声波喷丸工艺更加便捷。但在利用这种方式进行强化时需要特别注意喷丸均匀性，如果喷丸不均匀，会使零件强度不均匀，从而导致零件的损坏，带来损失。 3.2 激光冲击强化工艺技术 作为喷丸强化工艺的新形式，该工艺技术能够利用短脉冲与高功率密度，将强激光通过透明约束层作用于金属材料的能量吸收层上。这样一来，当吸收层所吸收的能量实现汽化后，蒸汽就会吸收强激光的能量，进而形成等离子体。这里的工艺参数包括：激光波长、激光功率密度以及约束层厚度等。值得注意的是，由于喷丸强化工艺的激光功率密度大小会受到约束层与被加工零件材料使用的影响，因此，工艺技术人员应保证激光诱导冲击波压力大于材料的动态屈服强度。这样一来，激光冲击强化工艺技术的应用，就能提高机械加工设备的生产效果。此外，由于激光冲击强化工艺已经广泛作用于航空工业中零件表面改性处理以及板料的整体塑性成形，因此，在完成处理后，
激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究
激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究 激光冲击强化具有高压(GPa-TPa)、超快(几十纳秒)、超高应变率 (107-108S-1,比爆炸成形高出100倍)的显著特点,广泛应用在金属构件的表面 改性上,然而目前对于金属材料表层激光冲击细化晶粒的微观结构演变、性能结构关系尚缺乏系统的研究,尤其是对超高应变率下严重塑性变形导致的晶粒细化机制和微观强化机理,现在仍然缺乏统一的认识和深入的理解。本文针对激光冲击铝合金的宏观性能、微观结构演变以及塑性变形进行了若干基础研究,为激光冲击波技术的工业应用提供依据。 本文主要开展以下四个方面内容的研究：不同工艺参数下铝合金试样的表面完整性和疲劳寿命研究、不同应变速率下的拉伸性能,在铝合金微观结构演变的基础上研究多次激光冲击铝合金晶粒细化机制和微观强化机理、激光冲击铝合金表面凹坑深度推导和理论计算,获得了以下主要结论和创新性成果：(1)系统研究了激光单次和多次冲击诱导铝合金塑性变形层不同区域的微观组织结构,建立了深度方向残余应力和微观结构的对应关系,首次深入系统地揭示了激光冲击铝合金晶粒细化机制和微观强化机理；在激光冲击塑性变形区域发现了激光冲击铝合金的空位簇缺陷并对形成机制进行初步的研究：激光冲击明显细化铝合金冲击区域表层的晶粒。激光单次冲击LY2铝合金晶粒细化过程中,深度方向的位错结构从随机分布位错→位错线→位错缠结→亚晶进行逐步演变,最终形成细化的晶粒；多次激光冲击的铝合金的上表面,晶粒尺寸约为100-200 nm。 在观测试验结果的基础上,系统地提出了多次激光冲击强化铝合金的微观机制：(ⅰ)原始粗晶内位错线的形成；(ⅱ)位错线的堆积导致位错墙和位错缠结的形成；(ⅲ)位错墙和位错缠结细分粗晶成亚晶粒；(ⅳ)在外来载荷的作用下亚晶
铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展_柳军宁
铝合金激光冲击强化表面改性的研究进展 柳军宁*1,2裴峻峰1,2 (1.常州大学;2.江苏省油气井口装备工程技术研究中心) 摘要介绍了激光冲击强化的作用机理,综述了激光冲击强化对铝合金材料残余应力、疲劳寿命、表面形态和微观结构等机械性能的影响和有限元分析方法在研究中的应用,总结了国内外在该领域的最新研究迸展。 关键词激光冲击强化铝合金机械性能 中图分类号TQ05014+1文献标识码A文章编号0254-6094(2011)02-0141-05 铝合金比重小,但却有着接近或超过优质钢 的强度,具有热膨胀系数低、易于成形、热导率高、成本低廉等优点,广泛应用于航空、航天、汽车、包装、建筑、电子等各个领域。但是,铝合金也存在诸多问题,如在氯离子及碱性介质存在的情况下,极易发生点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等多种形式的破坏,硬度较低、摩擦系数高、磨损大,容易拉伤且难以润滑导致铝合金耐磨性差。这些在很大程度上都限制了铝合金的使用范围[1,2]。 国内外对铝及其合金表面进行改质处理的研究很多,这些方法都可改变铝及其合金表面的应力分布、摩擦系数、微观硬度等,以期拓宽其应用范围。激光冲击波技术利用其极高的冲击压力,对材料作冲击改性处理,在金属的冲击强化处理和材料的冲击精密成型等领域已获得广泛的应用[3]。笔者主要介绍激光冲击强化(LSP)在铝及其合金表面改性方面的应用和研究进展。 1激光冲击强化的机理 激光冲击强化(简称LSP)技术,是利用高功率密度(大于1GW/c m2)的短脉冲(ns级)激光,辐照金属材料表面所产生的高密度等离子体喷射爆炸所形成的冲击应力波(GPa级)来改善材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的一项新技术[4~8]。 激光冲击一般采用钕玻璃、红宝石及YAG高功率激光装置[9](图1),激光功率密度一般大于1G W/c m2,有时可达10T W/c m2。如此强度的激光与材料相互作用会出现激光等离子体现象,这是一种物理现象。如图2所示,激光冲击强化过程可分为3个阶段[10]:当强激光穿过约束层冲击金属表面的能量吸收层时,能量吸收层会吸收激光的能量,在极短时间内汽化电离,形成一个高温高压的等离子体层;由于约束层的存在,等离子体压力迅速升高,施与试样一个冲击加载,产生向金属内部的强冲击波;冲击波压力达到GPa量级,远大于材料的动态屈服强度,使材料产生屈服和塑性变形, 同时在成形区域产生残余压应力。 图1激光冲击强化设备示意图 *柳军宁,男,1984年10月生,硕士研究生。江苏省常州市,213016。
激光冲击强化技术发展现状与展望
激光冲击强化技术发展现状与展望 摘要：首先简介了激光冲击强化的基本原理和技术优势；然后简述了该技术在国内外的发展和应用情况，扼要介绍了我国激光冲击强化技术研究现状和近期取得的主要进展；最后对激光冲击强化技术的发展进行了展望。我国激光冲击强化设备和技术已基本成熟，可以进入工业应用。 关键词：激光冲击强化；冲击波；表面处理；疲劳 长期以来，我国多型航空发动机在使用过程中出现了由于发动机叶片打伤、疲劳断裂和腐蚀等造成的重大故障和事故，直接影响了发动机使用安全性和寿命，成为我军航空装备的重大问题。飞机结构连接件、壁板及小孔边等裂纹也成为限制寿命的重要因素。 飞机和航空发动机结构大量采用金属材料，金属材料的主要失效形式疲劳和腐蚀均始于材料表面，所以金属材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。为此，人们采用喷丸、滚压、内挤压等多种表面强化工艺来改善金属表面性能。利用强激光诱导冲击波来强化金属表面的新技术称为激光冲击强化技术（简称LSP ），由于其表面强化效果好，自产生之日起就得到了广泛的关注和研究。1998年该技术被美国研发杂志评为全美100项最重要的先进技术之一。美国上世纪90年代后期开始的航空发动机高频疲劳研究计划中，将激光冲击强化技术列为工艺技术措施首位。2005年，研制激光冲击强化系统的MIC 公司获美国国防制造最高成就奖。美国将该技术列为第四代战斗机发动机关键技术之一，足见该项技术的重大价值。 1 激光冲击强化技术简介 当短脉冲(几十纳秒内)的高峰值功率密度(9210/W cm )的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层（涂覆层）吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压(GPa)等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能，这就是激光冲击强化，其原理如图1所示。
激光冲击复合强化机理及在航空发动机部件上的应用研究_李应红
中国科学: 技术科学 2015年 第45卷 第1期: 1 ~ 8 https://www.wendangku.net/doc/254605716.html, https://www.wendangku.net/doc/254605716.html, 引用格式: 李应红, 何卫锋, 周留成. 激光冲击复合强化机理及在航空发动机部件上的应用研究. 中国科学: 技术科学, 2015, 45: 1–8 Li Y H, He W F, Zhou L C. The strengthening mechanism of laser shock processing and its application on the aero-engine components (in Chinese). Sci Sin Tech, 2015, 45: 1–8, doi: 10.1360/N092014-00234 《中国科学》杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 航天专题 激光冲击复合强化机理及在航空发动机部件上的应用研究 李应红*, 何卫锋, 周留成 空军工程大学航空航天工程学院等离子动力学重点实验室, 西安 710038 * E-mail: gswwd@https://www.wendangku.net/doc/254605716.html, 收稿日期: 2014-08-30; 接受日期: 2014-12-25 国家自然科学基金(批准号: 51205406, 51405507)资助项目 摘要 针对激光冲击强化在航空发动机高温部件、薄叶片和叶片榫槽/榫齿等复杂部件(位)应用的问题, 系统开展了激光冲击表面纳米化方面的研究. 本文在总结多种航空发动机金属材料激光冲击表面纳米化表征、原理、热稳定性研究的基础上, 提出了基于表面纳米化和残余压应力的激光冲击复合强化机理, 进而提高了激光冲击强化在高温部件上使用温度, 并介绍了薄壁结构、榫槽/榫齿等特殊部件(位)激光冲击强化工程应用的情况. 激光冲击表面纳米化及其复合强化机理的研究工作, 拓宽了激光冲击强化的研究领域和应用范围. 关键词 激光冲击强化 航空发动机 疲劳断裂 表面纳米化 复合强化机理 高温部件 1 引言 金属构件疲劳性能与表面完整性密切相关. 一般情况下, 零部件疲劳断裂特别是高周疲劳断裂往往是在表面产生裂纹并逐渐扩展导致整体破坏. 为提高结构可靠性, 延长使用寿命, 在不改变基体材料性能的前提下, 表面强化技术得到了越来越多的研究和应用. 激光冲击强化是一种高效的表面强化技术, 利用激光冲击波的力学效应, 在金属材料表层形成大数值残余压应力和微观组织变化, 显著提高其疲劳强度和寿命, 是解决航空发动机高频疲劳断裂问题的有效手段[1~3]. 其中, 残余压应力提高金属材料的疲劳性能机理已经有了一套比较成熟的理论, 残余压应力主要通过降低部件承受的平均应力、降低裂纹扩展速率甚至使裂纹闭合等方面提高材料的疲劳强 度. 美国激光冲击强化技术的发展路线也是以残余压应力强化机制为指导, 根据部件特点, 设计激光冲击参数, 优化残余压应力场来提高金属部件疲劳性能[4]. 有很多文献分析和说明了激光冲击强化的机理. 例如, Peyre 和Fabbro [5]对激光冲击强化诱导残余应力形成机制进行了描述, 并认为残余压应力是提高疲劳性能的主要原因. Charles 等人[6]对激光冲击强化研究进行了综述, 对于提高金属材料疲劳寿命的机理, 仍然描述为冲击后形成的残余应力改善了抗疲劳性能. Breuer [7], Spanrad 等人[8], Golden 等人[9], Sano 等人[10,11], Hatamleh [12]研究了激光冲击强化对金属材料微动疲劳、外物打伤性能、焊接接头抗应力腐蚀性能的影响, 均认为激光冲击强化诱导的残余压应力是提高疲劳性能的主要原因. 但随着激光冲击强化技术研究和应用的进一步
铝合金及其焊接件激光冲击强化抗环境损伤工艺与机理研究
铝合金及其焊接件激光冲击强化抗环境损伤工艺与机理研究7075铝合金具有比强度高,易于加工等优点而广泛应用于航空航天、轨道交通、航海工程等行业的结构件中,焊接是其被制成结构件主要的连接方式之一。在实际工作中,所有结构件都是要与周围环境相互作用的,如飞机与潮湿的大气 环境、轮船与海水环境、发动机叶片与高温环境等等。 这些环境介质与7075铝合金及其焊接头的相互作用会造成破坏和损伤,影 响结构的使用性能和寿命,导致整个产品失效。大多数的损伤和破坏都是从表面发生的,因此表面处理与改性是提高7075铝合金抗环境损伤的重要手段。 激光冲击作为一种新型的表面改性技术具有热影响小、效率高、可控性强,绿色无污染等优点。但国内外激光冲击铝合金强化技术的研究主要集中在力学性能的研究,而且是常温下性能测试研究的比较多。 对于7075铝合金及其焊接头激光冲击后抗腐蚀性能和耐高温性能提高的机理目前还没有统一的认识,因此研究激光冲击强化技术对7075铝合金抗腐蚀(尤其是卤环境)耐高温等性能提高的工艺和机理具有重要的价值和实践意义。本文根据7075铝合金的静态屈服强度,通过计算分析,结合GAIAR型Nd:YAG纳秒高功率激光器参数范围,通过对比测试冲击后的表面完整性,对激光冲击参数进行优化。 根据优化参数(光斑直径3mm、能量为9J、搭接率60%、脉宽10ns)对7075 铝合金进行冲击强化处理,借助现代测试分析手段对冲击后的物相、微观组织等进行分析,研究激光冲击细化晶粒、诱发高密度位错的机理。测试激光冲击前后7075铝合金的抗环境损伤能力的变化,主要包括电化学腐蚀测试、应力腐蚀测试、蠕变测试和高温疲劳测试。
激光表面强化与热处理技术及其应用讲解
激光表面强化与热处理技术及其应用 激光表面强化与热处理技术是近20年来发展起来的一种新型材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化。激光表面强化与热处理可以分为3类：一是激光照射时金属不熔化，只是组织发生变化，这类工艺主要为激光相变硬化(激光淬火)；二是激光照射时金属熔化，冷却后组织发生变化或加入其他元素改 激光表面强化与热处理技术是近20年来发展起来的一种新型材料表面处理技术。激光表面强化技术的原理是利用激光穿透能力极强的特点，当把金属表面加热到仅低于熔点的临界转变温度时，其表面迅速奥氏体化，然后急速自冷淬火，金属表面迅速被强化。 激光表面强化与热处理可以分为3类：一是激光照射时金属不熔化，只是组织发生变化，这类工艺主要为激光相变硬化(激光淬火)；二是激光照射时金属熔化，冷却后组织发生变化或加入其他元素改善表面性质，包括激光熔凝、激光合金化、激光非晶化和微晶化等；三是激光照射时金属表面发生汽化，从而发生组织变化，这类工艺主要为激光冲击硬化。上述各种激光热处理工艺共同的理论基础是激光与物质的相互作用规律及其金属学行为。 激光热处理是传统热处理技术的发展和补充，它可以解决其它表面处理方法无法解决或不好解决的材料强化问题。经过激光处理后，铸层表层强度可达HRC60以上，中碳、高碳钢以及合金钢的表层硬度可达HRC70以上，从而提高其抗磨损、抗疲劳、耐腐蚀和防氧化等性能，延长其使用寿命。 激光热处理在汽车行业应用极为广泛，在许多车关键件上(如缸体．缸套、曲轴、凸轮轴、排气阀、阀座或活塞环等)几乎都可以采HJ激光热处理。同样，农用机车也应该广泛使用。在农业生产中，机器的工作条件是多种多样的，有些机器(犁、中耕机、播种机和收割机)直接在磨料介质中工作，使许多零件磨损很快。另一方面，为了获得足够的强度，机器的材料用量较大，不仅浪费材料，而且显得笨重。对于此类零件，激光硬化处理后的硬度比常规淬火硬度高5%一20%，激光合金化可以根据要求选择加入新材料，形成以基材为基础的新合金层，以获得满意的性能。此外，由于处理后性能的提高，可以选用低性能的基材，从而减少了基材的质量。
激光表面强化
1 激光表面技术发展背景 一般情况下工程构件的失效大多发生在表面，主要由疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起，这一现象促使材料工作者对材料表面产生极大关注，因而使材料表面强化技术得到迅猛发展。理想的材料是整体保持足够的韧性和强度，同时表面获得较高的、特定的使用性能，如耐磨、耐蚀和抗氧化等。 由于激光具有极强的方向性,极高的单色性和相干性,因而具有极高的单色能量密度，是一种精密可控的高能量密度的热源，（）因此被越来越广泛地应用到军事、医学、通信和工业等领域，尤其是机械加工和材料加工方面很大进展。70年代以来，激光表面强化技术逐渐发展起来，成为一种新型材料表面处理技术。 2 激光表面技术原理 当高能激光束照射到材料表面时，激光被材料吸收转变成为热能，表层材料受热温度升高。由于能量集中在一个很小的表面上，因此在短时间(10-1~10-7s)内材料就能升至高温(加热速度高达105~109e/s)，使表层材料发生固体相变、熔化甚至蒸发。当切断或移开激光束后，材料表面快速冷却(冷速高达104e/s)，自然冷却就能实现表面强化。在凝固过程中，受辐射表面由于产生晶粒细化、非稳态相和过饱和固溶体而具有高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。根据激光束与材料表面作用的功率密度，作用时间及作用方式的不同，可实现不同类型的激光表面强化。激光辐照区的金属表面和光对金属穿透深度之间形成很薄的“热层”，激光在照射期间只对这一“热层”加热.，金属内部温度的变化依靠热传导。这一“热层”可视为表面热源。 3 激光束表面强化的特点 （1）激光功率密度大，能量高，加热速度快(105~109e/s)，加热温度高，基体自然冷却速度高快>104e/s)，生产效率高。 （2）表面强化层组织细小，硬度高，表面光洁无氧化，具有高的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性。 （3）热影响区小，工件变形程度小。 （4）可局部加热，对某些形状复杂，非对称的零件及特殊部位均可进行表面强化处理，如深孔内壁、盲孔底部等。 （5）整个过程易于实现自动化； （6）污染少，劳动条件好。 现阶段激光表面强化技术也存在一些问题，如对反射率高的材料要进行防反射处理，不适宜一次进行大面积处理，激光本身是转换效率较低的能源，激光设备价格较高，激光强化工艺不稳定、移植性差，在激光表面合金化和激光熔覆中还常常出现裂纹等问题。因此，采用激光表面强化技术时，要选择适当的零件、材料和工艺，充分利用其优点，使之成为高效率、高经济效益的方法。 根据激光与材料表面作用的功率密度，辐射时间及方式不同，将激光表面强化方式分为：激光熔覆、激光合金化、激光重熔、激光相变硬化及激光冲击硬化。其中,激光表面合金化和激光熔覆是通过改变表面成分和组织来实现强化目的。利用高功率激光表面强化的好处在于节约具有战略价值和昂贵的合金元素、形成非平衡相和非晶态、晶粒细化、微观结构均匀化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析等。
激光表面强化技术
激光表面强化技术论文 专业：机械制造及其自动化 课程：表面处理技术概论 学号： 姓名： 老师： 2016年11月20日
目录 一、摘要 二、简介 三、激光的简要概述 四、激光机工技术的特点 五、四种激光表面强化技术 1、激光表面合金化 2、激光表面冲击硬化 3、激光表面熔覆 4.激光表面熔凝 六、激光加工技术发展趋势 1、激光产业整体布局 2、激光产业重点单位 3、激光器技术的发展 七、结束语 八、参考文献
激光表面强化技术 一、摘要 疲劳、腐蚀、摩擦和磨损引起的工程构件的失效大多发生在表面, 这一现象促使材料科学工作者对材料表面的极大关注, 并促使材料表面强化技术的迅猛发展。人们希望在材料整体保持足够的韧性和强度的同时, 使材料表面获得较高的、特定的使用性能, 如耐磨、耐蚀和抗氧化等。 激光由于其优异的性能, 越来越被广泛地应用到军事、通信、医学和工业等领域。激光技术在材料科学中的应用使得材料学科无论在理论还是在工艺方面均获得重要的进展。激光的引人, 使得材料工作者可以根据应用背景来进行更广泛意义上的材料设计; 激光的引人, 也使得材料加工工艺前进了一大步。同时, 激光的引人又不断地给材料工作者提出新问题。激光表面强化技术包括激光表面淬火、激光表面熔凝、激光表面熔覆和激光表面合金化等。其中,激光表面合金化和激光熔覆是通过改变表面成分和组织来实现强化目的。 利用高功率激光表面强化的好处在于节约具有战略价值和昂贵的合金素形成非平衡相和非晶态晶粒细化、微观结构均匀化、提高合金元素的固溶度和改善铸造零件的成分偏析等。激光表面强化技术已有20多年的历史, 各方面已取得长足的进展, 如激光表面淬火技术在汽车缸套的表面强化方面取得显著的效益。但是目前激光表面强化技术的推广并未达到人们所期望的效果。其原因是多方面的,如设备投资较高,激光强化工艺的不稳定移植性差,在激光表面合金化和激光熔覆中还常常出现裂纹等问题。这有待于材料科学工作者更进一步深入研究激光表面强化的基础理论和应用技术。 二、简介 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。 激光表面强化是利用高能激光束和材料表面之间的交互作用，改变材料表面
激光表面强化技术应用
激光表面强化技术 激光是一种相位一致、波长一定、方向性极强的电磁波，激光束由一系列反射镜和透镜来控制，可以聚焦成直径很小的光(直径只有0．1mm)，从而可以获得极高的功率密度(104~10W／cm2)。激光与金属之间的互相作用按激光强度和辐射时间分为几个阶段：吸收光束、能量传递、金属组织的改变和激光作用的冷却等。它对材料表面可产生加热、熔化和冲击作用。随着大功率激光器以及激光束调制、瞄准等技术的发展，激光技术进入到金属材料表面热处理和表面合金化技术领域，并在近几年得到迅速发展。 一、激光表面强化技术 常用的激光表面强化技术主要有三种：激光表面淬火、激光熔凝淬火、激光熔覆与合金化。 激光表面淬火是激光表面处理中最成熟、应用最广泛的一种技术。将激光照射到具有固态相变的铁碳合金工件表面上，使表面温度迅速升到材料相变温度；当激光移开后，表层被处于常温的内层材料迅速冷却而自行淬火，从而使表层组织结构和性能发生明显变化。激光淬火处理后的工件表面硬度高，通常比常规淬火硬度高5％～20％．可获得极细的硬化层组织。淬硬层一般在0.1～1.2mm。可以对形状复杂的零件和不能用其它常规方法处理的零件进行局部硬化处理．如具有沟槽的零件。由于激光加热速度快，因而热影响区小．淬火应力及变形小。一般认为激光淬火处理几乎不产生变形，但厚度小于5mm的零件其变形仍不可忽视。 激光熔凝淬火是以高功率密度的激光，在极短的时间内与金属相互作用，使金属表面局部区域在瞬间被加热到熔化状态。随后，借助冷态金属基体的吸热和传导作用，使得已熔化的表层金属快速凝固，产生细小的铸态组织。由于激光熔凝淬火允许金属表面熔化，实际操作时可以使用比激光淬火更加高的功率密度和更加慢的扫描速度，因此激光熔凝淬硬层深度比前者更深，一般在1.5～2.5mm。激光熔凝淬火的不足之处在于，激光加工后的表面粗糙度有所