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安博电竞官网:激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用(2)

发布时间:2022-05-10 23:55:30 来源:安博电竞app官方下载 作者:安博电竞娱乐

  本文综述了残余压应力和晶粒细化对金属材料机械性能的影响,讨论了LSP的最新发展和目前面临的挑战和未来的发展方向。本文为第二部分。

  实验装置的示意图(A)在Héphaïstos、HiLASE和GCLT进行的水封闭状态,(b)在GCLT进行的直接相互作用状态。

  将高功率激光应用于金属表面会导致几微米厚的层蒸发,从而形成膨胀的等离子体。作为对等离子体膨胀的反应,向目标施加相当于烧蚀压力(Pabl)的机械载荷,产生通过材料传播的冲击波(上图)。表面的照明可以是直接的(图(b))或受限的(图(a))。限制可以是任何对激光波长透明的介质,这将减缓等离子体的膨胀。因此,使用限制将等效压力增加一个数量级,并使冲击波持续时间比脉冲持续时间长两到三倍。然而,在水或空气等介电介质中,在一定的激光强度下可能会发生击穿现象,从而导致压力饱和和较短的冲击波持续时间。

  除了压缩残余应力外,LSP还可以诱导金属表面的晶粒细化,甚至非晶化。LSP后,上表面会形成一层严重的塑性变形层,从而改善零件的机械性能。通常,与未经处理的样品表面层相比,LSP处理样品的顶部表面层中会有更多细化的颗粒。此外,由于LSP工艺的梯度特性,晶粒尺寸随着距表面距离的增加而减小。当冲击波传播到靶中时,其强度逐渐降低,这导致应变和应变率降低,导致应变诱导的微观结构变化。图7显示了使用LSP处理的金属材料中典型的表面梯度粒度结构。

  Lu等人通过LSP处理合金的微观结构观察,研究了晶粒细化机制。通过他们的研究,我们可以得出结论,不同金属材料的晶粒细化机制不同。金属塑性变形的两种主要形式是位错滑移和变形孪晶。在LSP工艺中,主要形式由材料特性、加工条件、应变率和其他因素决定。虽然LSP过程中的高应变率使变形孪生更有利,但它可能发生,也可能不发生,这取决于材料的层错能(SFE)。众所周知,对于具有高SFE的材料,位错滑移是塑性变形的主要形式,而对于具有低SFE的材料,变形孪生更为有利。因此,晶粒细化机制与材料的SFE有关。

  对于SFE较低的材料,变形孪晶在变形过程中占主导地位。低SFE材料的表面晶粒细化机制可描述如下。在第一次撞击期间,由于冲击波压力超过了材料的HEL,因此会发生塑性变形,并在一个方向上产生机械孪晶(MTs)。这些平行变形孪晶将粗晶粒分割成薄片。接下来,连续的LSP冲击会导致另一个方向的变形孪晶,它们与之前的孪晶相交,并将薄片层细分为亚微米菱形块。第三次LSP冲击后,应变和应变率继续增加,并在第三个方向上产生变形孪晶。这些变形孪晶将亚微米菱形块细分为亚微米三角形块。为了降低系统总能量,亚微米细分块的MTs将逐渐成为亚晶界,并最终通过动态再结晶转变为晶界。最后,最初的粗颗粒变得细化。这种晶粒细化过程如图8所示。

  对于具有高SFE的金属材料,例如铝合金,在LSP过程中难以形成MTs。相反,位错滑移主导了塑性变形过程。高SFE材料的晶粒细化机制可以描述如下。在第一次LSP冲击期间,激光诱导的冲击波导致产生大量的位错,用于调节塑性应变。这种位错累积导致原始粗晶粒中出现位错线。随着应变和应变速率的增加,位错线相互交叉,形成不同方向的位错缠结和位错壁,从而将初始晶粒细分为更小的部分。为了使总能态最小化,位错线和位错壁转变为亚晶界,并最终转变为晶界。随着塑性应变的进一步增加,前面描述的晶粒细化机制再次出现,晶粒进一步细化,直到位错增殖率在湮灭率下达到平衡。因此,可以获得尺寸稳定的细化晶粒。这种晶粒细化过程如图9所示。

  对于具有中等SFE的金属材料,晶粒细化机制更为复杂。由于中等SFE,在LSP过程中,位错滑移和变形孪晶都会发生,这两个过程都将有助于晶粒细化。Lu等研究了商业纯(CP)钛的晶粒细化机制,发现了两种不同类型的细分模式。与低SFE材料的情况类似,CP钛的第一个晶粒细化机制是MTs。也就是说,塑性变形产生的三个不同方向的平行变形孪晶相互碰撞,然后将初始粗晶粒细分为等轴晶粒(图7)。在第二种晶粒细化机制中,位错滑移和变形孪晶都起作用。在第一次LSP冲击期间,MTs在一个方向上将初始晶粒细分为薄片。接下来,垂直于前者的次级孪晶继续将片层细分为更小的尺寸。随着塑性应变的累积,位错活动开始主导变形过程。变形诱导位错在小片晶中积累;这些位错堆积起来,形成垂直于次级孪晶的位错壁。因此,通过变形孪晶和位错壁细化粗晶粒。这种晶粒细化过程如图10所示。

  LSP处理引起的微观结构和残余应力状态的变化将改善金属材料的机械性能。LSP后,表层晶粒细化,位错密度显著增加。此外,通过LSP可以在金属材料的近表面区域产生有益的压缩残余应力。残余压应力的存在将延迟循环载荷下金属中的裂纹萌生和扩展。微观结构变化和压缩残余应力的协同效应将提高机械性能,包括硬度、抗疲劳性、耐磨性和抗SCC性。

  从图11a中的深度显微硬度曲线可以看出,与未经处理的样品相比,经LSP处理的样品的硬度显著增加。硬度的梯度分布是由LSP引起的塑性应变的梯度性质造成的。激光诱导的冲击波在向内部传播时幅度减小,导致晶粒尺寸和位错密度的梯度分布,从而导致硬度的梯度分布。从图11b所示的应力-应变曲线也可以看出,LSP样品的屈服强度有所提高,但这是以牺牲延性为代价的。

  图11 未处理和LSP处理样品的深度显微硬度和应力应变曲线对疲劳性能的影响

  LSP的一个主要优点是它能够提高金属部件的抗疲劳性,正如在镁合金、钛合金、铝合金、碳钢和合金钢、高温合金中观察到的那样。从图12中可以观察到,与接收样品相比,LSP处理样品的S–N曲线移到右上角,表明疲劳性能更好。

  此外,随着冲击次数的增加(图12b),样品的疲劳性能也会提高。疲劳寿命的提高是表面加工硬化和压缩残余应力协同作用的结果。加工硬化层可以防止疲劳裂纹萌生,残余压应力可以抵消使用过程中的拉应力,抑制疲劳裂纹的产生和扩展,从而改善金属部件的疲劳性能。如图6所示,存在LSP产生的压缩残余应力时,裂纹扩展速度可以显著降低。请注意,在某些使用极高激光功率密度的情况下,LSP偶尔会导致更高的表面粗糙度,这对疲劳性能有害。然而,表面加工硬化和残余压应力所产生的有益效应起着主导作用,从而使LSP处理的样品具有更好的疲劳性能。

  在飞机起飞和着陆期间,航空发动机风扇或压缩机叶片的叶片可能会被石头、沙子和铁等小型硬物高速撞击,导致叶片表面形成凹痕、凹痕,甚至微裂纹。

  这种情况称为异物损坏,它会大大降低发动机的疲劳性能。异物损坏会导致叶片表面应力状态重新分布:缺口下方产生压缩残余应力,缺口附近产生拉伸残余应力。此外,在使用过程中受到外部循环载荷时,缺口处会出现应力集中。应力集中和拉伸残余应力的结合将促进疲劳裂纹的产生和扩展,从而大大降低叶片的疲劳寿命。叶片经LSP预处理后,试样表面产生的压缩残余应力可以降低拉伸残余应力的大小和异物损伤引起的应力集中,从而抑制裂纹的萌生和扩展,提高疲劳寿命。Ren等人通过实验验证了LSP在循环载荷下产生的残余压应力的稳定性,这表明LSP可以有效改善受到异物损伤的叶片的疲劳性能。

  微动疲劳是指部件表面的一部分和其他接触表面在循环载荷作用下产生小幅度相对滑动,导致部件疲劳强度降低或早期断裂的现象。

  这种现象主要发生在燃气轮机发动机叶片和轮盘的连接处,这大大降低了发动机的疲劳寿命。Yang等人研究了LSP在不同激光功率密度下对TC11钛合金微动疲劳的影响。他们发现,增加激光功率密度将使疲劳裂纹萌生点从样品表面转移到次表面。这项研究表明,LSP可以通过在试样表面产生压缩残余应力来抑制表面微动裂纹的扩展,并且疲劳裂纹将在最大拉伸应力最大的地方开始。然而,过高的激光功率密度会增加样品的表面粗糙度,并加剧微动磨损。因此,选择适当的激光功率密度并调整LSP加工区域以获得适当的残余应力分布,可以有效改善试样的微动疲劳性能。

  航空发动机涡轮叶片在使用过程中会在高温下承受循环载荷,这种情况要求LSP产生的残余应力和微观结构具有较高的热稳定性。

  与SP相比,LSP产生的冷加工程度要低得多。因此,LSP引起的有益微观结构变化和压缩残余应力通常更稳定。图13显示了热平衡−通过LSP在Inconel 781Plus高温合金中产生的残余应力的机械松弛。可以观察到,当最大疲劳应力为965时,曲线分为两个阶段兆帕。在循环加载的初始阶段,初始塑性变形和高温导致残余应力迅速松弛。在那之后,压力放松是缓慢的。循环20万次后仍存在大于500 MPa的残余压应力。

  在相对较低的疲劳应力(965 MPa)下的循环加载不足以积累足够的塑性应变,因此在20万次循环时仍然保持残余压应力。

  正如Kattoura及其同事所观察到的。当在977MPa的疲劳应力下承受 650°C循环载荷时,LSP产生的残余应力非常稳定,能够显著降低裂纹扩展速度,压力水平较高(1065 and 1100 MPa),存在第三个阶段,即10 000次循环后残余应力快速松弛。当应力水平较高时,塑性应变的累积会导致疲劳失效前的大量应力松弛。这意味着,当疲劳应力低于临界水平时,LSP产生的残余应力是稳定的,可以有效地改善疲劳性能。然而,当应力水平较高时,LSP产生的压缩残余应力的稳定性可能会显著受损。

  Altenberger和同事的研究表明,在Inconel718Plus合金中LSP产生的残余应力即使在650ºC时也可以非常稳定,而在Ti64合金中LSP产生的残余应力在550ºC循环加载时则不稳定。幸运的是,表面加工硬化层具有滑移带和密集的位错缠结,在循环加载和热退火期间非常稳定,因此可以有效延长裂纹萌生寿命。因此,即使残余应力不再稳定,LSP处理仍然能够有效改善Ti64的高温疲劳性能。Yang及其同事还发现,与残余应力相比,AA2195中LSP产生的微观结构(纳米颗粒)相对更稳定。

  Zhang等人在室温下使用往复球板摩擦磨损试验机,研究了LSP前后AZ31B镁合金的耐磨性。从图14可以看出,与未经处理的样品相比,LSP处理样品的疤痕宽度更小,表明LSP可以提高AZ31B镁合金的耐磨性。LSP处理后,表层晶粒细化,位错密度增加,表面硬度提高,从而提高了耐磨性。较高的硬度将提高试样的承载能力,减少使用过程中的微观变形,从而降低磨损率,提高耐磨性。

  发生SCC的必要条件是脆弱的材料、拉伸应力和腐蚀性环境。通过诱导有效的残余压应力和表面硬化层,LSP可以显著提高金属材料的抗SCC能力。

  Telang等在0.001 M四硫酸盐溶液中通过慢应变速率拉伸试验,研究了LSP对Inconel 600合金抗SCC性能的影响。可以看出,LSP提高了屈服强度、极限抗拉强度(UTS)和延伸率(图15)。

  为了研究LSP如何影响材料的SCC抗力,Lu等人对304不锈钢制成的U形弯曲试样进行了慢应变速率试验(图16)。

  在未经LSP处理的样品A中,表面层上发现了拉伸残余应力。慢应变速率试验后,该试样首先发生断裂,表面裂纹数量最多。在LSP处理后弯曲的样品B中,表面晶粒细化,但LSP引入的压缩残余应力在弯曲后转化为拉伸残余应力。在慢应变速率试验中,断裂发生的时间更长,表面上的裂纹数量低于试样A。对于试样C,弯曲后使用LSP处理,弯曲产生的拉伸残余应力转化为压缩残余应力。在慢应变速率试验中,样品C未断裂,表面未观察到裂纹。因此,残余压应力对提高304不锈钢的抗应力腐蚀性能起着重要作用。尽管如此,晶粒细化的作用不容忽视。如图17所示,压缩残余应力可以抵消部分拉伸载荷,从而抑制裂纹的萌生和扩展,从而提高材料的抗SCC能力。此外,LSP在上表面层中诱导的细化晶粒也可以作为位错滑移的屏障,提高抗SCC性能。

  例如,Wei等人证明LSP处理可以降低AISI 304不锈钢的SCC敏感性。Lisenko等人利用LSP显著提高280 Muntz黄铜的抗SCC性能。Li等人和Ge等人都发现LSP处理可以提高AZ31镁合金的抗应力腐蚀性能。基于之前的研究结果,Xiong等人将LSP与微弧氧化技术相结合,对AZ31镁合金进行处理,并进一步提高其抗应力腐蚀性能。Wang等人对7075铝合金激光焊接接头进行了LSP,并通过加工硬化层和压缩残余应力提高了其抗SCC性能。