CN112877536A - 激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，涉及到金属材料的激光加工、表面强化技术领域。其主要步骤为：（1）试样准备；（2）获取超低温处理最优工艺参数；（3）获得金属材料在超低温下的动态屈服强度；（4）求解金属材料在超低温下的雨贡纽弹性极限；（5）求解激光功率密度；（6）获取激光能量参数；（7）开展超低温下激光喷丸强化处理。本发明利用超低温度的抑制动态回复与湮灭作用，提高位错密度；采用超低温度与超高应变率的耦合效应抑制位错滑移、提高纳米形变孪晶形核驱动力，利用位错与纳米形变孪晶之间的相互作用提高金属材料的阻尼能力和断裂强韧性，从而实现抗振动疲劳性能的显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工技术领域，具体涉及一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法。
背景技术
叶片作为航空发动机最为重要的部件之一，在复杂多变的服役工况下极易产生疲劳损伤，在发动机运行时不断受到周期性气流激振力作用而产生振动，同时叶片在工作过程中还承受着较高的离心力、气动力等引起的振动载荷作用，极易造成疲劳失效，甚至断裂。据不完全统计，航空发动机故障中因振动而造成的疲劳失效约占60％，而叶片的振动疲劳破损又占振动总故障的70％。由振动疲劳引起的疲劳损伤是叶片的主要失效形式之一。因此，提高航空发动机叶片的振动疲劳抗力具有重要的工程应用价值。
目前，减小航空发动机叶片振动的方法可以归纳为三种：(a)改变外界激振频率以避开叶片的固有频率；(b)改变叶片的固有频率以避开外界激励频率；(c)提高叶片的振动疲劳强度或施加阻尼减振结构。这些方法虽然在一定程度上可以减小结构件的振动特性，但同时也增加了结构的重量，违背了航空飞行器轻量化的设计要求。因此，利用表面形变强化技术提高金属材料的阻尼能力以减小振幅、改善微观组织以及诱导高幅值残余压应力是提高金属材料振动疲劳性能的有效方法。
激光喷丸技术利用强激光束产生的等离子冲击波，是提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。但是，在高温、高压、以及循环载荷作用下，激光喷丸诱导的残余压应力存在较快的松弛行为，这限制了服役工况下金属材料疲劳寿命的强化效果。
温度和应变率是影响形变强化效应的重要因素，对金属材料的强化效果具有重要的影响。研究表明，超低温下的形变强化技术可以为金属材料提高更加优异的力学性能。超低温度与超高应变率的协同作用有助于诱导纳米形变孪晶的形成。纳米孪晶与位错结构的相互作用可以阻碍位错的滑移与湮灭，提高残余压应力的稳定性以及金属材料的断裂强韧性。同时，孪晶界之间，以及孪晶界与位错的相互作用有效强化金属材料的阻尼能力，减小结构件的振幅。有益微观组织、高稳定性残余压应力，以及较小的振幅可以有效抑制振动疲劳裂纹的萌生与扩展，进而提高航空发动机叶片的振动疲劳性能。
激光喷丸与超低温耦合工艺过程中，工艺参数的确定是影响强化效果的关键因素。目前，现有技术只能根据多次重复的实验进行摸索，对于工艺参数的选择没有一个可行的判断依据。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，采用超低温度的抑制动态回复与湮灭作用，提高位错密度；采用超低温度与超高应变率的耦合效应抑制位错滑移、提高纳米形变孪晶形核驱动力，利用位错与纳米形变孪晶之间的相互作用提高金属材料的阻尼能力和断裂强韧性，从而实现抗振动疲劳性能的显著提高。
技术方案：一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，步骤如下：
步骤一.将金属材料表面进行打磨和抛光，然后利用超声波清洗机将试样在工业酒精溶液中清洗处理，最后取出利用电吹风吹干；
步骤二.以液氮为制冷剂，将金属材料在不同超低温度为T、超低温处理保持时间为t以及降温速率为r的参数下进行超低温处理；以金属材料试样表面最大残余压应力值以及显微硬度为优化目标，利用响应面优化法确定金属材料的最优超低温处理工艺参数为Tb、tb和rb；
步骤三.在超低温处理工艺参数Tb、tb和rb的情况下对金属材料进行超低温处理，然后直接利用霍普金森压杆测试金属材料在超低温度为Tb下的动态屈服强度
步骤四.根据步骤三获得的金属材料的动态屈服强度
根据
求解出金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，其中：υ为金属材料的泊松比，σ0为金属材料表面初始状态下的残余应力；
步骤五.根据金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax；根据
求解激光功率密度I0；其中，α为内能-热能转化系数，取0.1～0.15，Z为折合声阻抗；根据
获得折合声阻抗Z；其中，Z1和Z2分别为金属材料和约束层对激光冲击波的阻抗；
步骤六.根据步骤五得出的激光功率密度I0，以及方程
确定激光能量Elaser、激光脉冲宽度τ以及激光光斑直径D的参数组合；其中，χ为吸收层的吸收系数；
步骤七.在最优工艺参数下开展超低温处理，随即开启Nd:YAG固体激光器，以参数组合Elaser、τ、D、激光光斑搭接率O和激光喷丸次数N为激光喷丸工艺参数，开展超低温下激光喷丸强化处理。
作为优选，所述步骤一中金属材料为钛合金、镍基合金、铝合金、镁合金或高强钢。
作为优选，所述步骤二中超低温度T的范围为-50～-196℃，超低温处理保持时间t的范围为0.5～20h，降温速率r的范围为10～50℃/min。
作为优选，所述步骤六中激光光斑直径D为1～5mm，激光脉冲宽度τ为10～50ns，激光能量Elaser为0.6～12J，吸收层的吸收系数χ为0.1～0.7。
作为优选，所述步骤七中激光光斑搭接率O为25％～75％，激光喷丸次数N为1～10次。
作为优选，所述步骤七中激光喷丸强化处理时，以厚度为1～3mm的K9玻璃或蓝宝石玻璃为约束层，以100～120um厚的铝箔为吸收层。
有益效果：本发明利用超低温度与超高应变率塑性变形的耦合作用，提出了一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法。其中，深冷温度(超低温-50～-196℃)抑制了位错结构的回复与湮灭，进而提高位错密度及其稳定性；超低温度与超高应变率耦合作用抑制了位错的滑移，提高孪晶形核驱动力以及纳米孪晶形成；超低温度下激光喷丸诱导的位错结构与纳米孪晶之间的相互作用有效提高金属材料的金属阻尼能力以及断裂强韧性，从而实现抗振动疲劳性能的提高。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，参见图1，包括以下步骤：
(1)试样准备：
将TC4钛合金表面进行打磨和抛光，然后利用超声波清洗机将试样在工业酒精溶液中清洗处理20min，最后取出利用电吹风吹干；
(2)获取超低温处理最优工艺参数：
以液氮为制冷剂，将TC4钛合金在超低温度为-50～-196℃、超低温处理保持时间为0.5～10h、以及降温速率为10～50℃/min的参数下进行超低温处理；以TC4钛合金试样表面最大残余压应力值以及显微硬度为优化目标，利用响应面优化法确定金属材料的最优超低温处理工艺参数为-130℃、5h和15℃/min；
(3)获得金属材料在超低温下的动态屈服强度：
在超低温处理工艺参数-130℃、5h和15℃/min的情况下对TC4钛合金进行超低温处理，然后直接利用霍普金森压杆测试TC4钛合金在-130℃超低温度下的动态屈服强度
(4)求解金属材料在超低温下的雨贡纽弹性极限：
根据步骤(3)获得的TC4钛合金试样的动态屈服强度
根据
求解出金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL＝2.0GPa；其中：υ为TC4钛合金的泊松比，具体为0.34，σ0为TC4钛合金试样表面初始状态下的残余应力，具体为25MPa；
(5)求解激光功率密度：
根据TC4钛合金试样的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax＝5.0GPa；根据
求解激光功率密度I0＝3.0GW/cm2；其中，α为内能-热能转化系数，取0.1～0.15，本实施例中为0.1，Z为折合声阻抗，单位为g·cm-2·s-1；根据
获得折合声阻抗Z；其中，Z1和Z2分别为靶材TC4钛合金和约束层K9玻璃对激光冲击波的阻抗，其中Z1＝2.41×106g·cm-2·s-1，Z2＝1.89×106g·cm-2·s-1；
(6)获取激光能量参数：
根据步骤(5)得出的激光功率密度I0＝3.0GW/cm2，以及方程
确定激光能量Elaser＝1.6J、激光脉冲宽度τ＝8ns以及激光光斑直径D＝2mm的参数组合；其中，χ＝0.5为吸收层的吸收系数，π取3.14；
(7)开展超低温下激光喷丸强化处理：
在工艺参数为-130℃、5h和15℃/min的情况下开展超低温处理；随即开启Nd:YAG固体激光器，以参数组合Elaser＝1.6J、τ＝8ns、D＝2mm、激光光斑搭接率O＝50％和激光喷丸次数3为激光喷丸工艺参数，以厚度为2mm的K9玻璃为激光能量约束层，以100um厚的铝箔为激光能量吸收层，开展超低温下激光喷丸强化处理。
本实施例完成了激光喷丸与超低温耦合强化TC4钛合金振动疲劳性能的方法。利用半功率带宽法测量了不同处理TC4钛合金振动试样的阻尼比、利用电磁振动试验台测量了不同处理TC4钛合金振动试样的振幅和疲劳寿命，实验结果如表1所示，结果表明，与单一激光喷丸试样相比，运用本发明对TC4钛合金进行激光喷丸与超低温耦合强化后，其结构阻尼比提高了13.0％，振动试样末端振幅减小了16.2％，振动疲劳寿命提高了33.0％。可见，通过本发明的激光喷丸与超低温耦合强化可以有效提高TC4钛合金的结构阻尼比以及抗振动疲劳性能。
表1不同处理试样振动性能的比较结果
所述实施例为本发明的优选的实施方法，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一.将金属材料表面进行打磨和抛光，然后利用超声波清洗机将试样在工业酒精溶液中清洗处理，最后取出利用电吹风吹干；
步骤二.以液氮为制冷剂，将金属材料在不同超低温度为T、超低温处理保持时间为t以及降温速率为r的参数下进行超低温处理；以金属材料试样表面最大残余压应力值以及显微硬度为优化目标，利用响应面优化法确定金属材料的最优超低温处理工艺参数为Tb、tb和rb；
步骤三.在超低温处理工艺参数Tb、tb和rb的情况下对金属材料进行超低温处理，然后直接利用霍普金森压杆测试金属材料在超低温度为Tb下的动态屈服强度
步骤四.根据步骤三获得的金属材料的动态屈服强度
根据
求解出金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，其中：υ为金属材料的泊松比，σ0为金属材料表面初始状态下的残余应力；
步骤五.根据金属材料的雨贡纽弹性极限σHEL，以及公式Pmax＝2.5σHEL，确定激光冲击波峰值压力Pmax；根据
求解激光功率密度I0；其中，α为内能-热能转化系数，取0.1～0.15，Z为折合声阻抗；根据
获得折合声阻抗Z；其中，Z1和Z2分别为金属材料和约束层对激光冲击波的阻抗；
步骤六.根据步骤五得出的激光功率密度I0，以及方程
确定激光能量Elaser、激光脉冲宽度τ以及激光光斑直径D的参数组合；其中，χ为吸收层的吸收系数；
步骤七.在最优工艺参数下开展超低温处理，随即开启Nd:YAG固体激光器，以参数组合Elaser、τ、D、激光光斑搭接率O和激光喷丸次数N为激光喷丸工艺参数，开展超低温下激光喷丸强化处理。
2.根据权利要求1所述的一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤一中金属材料为钛合金、镍基合金、铝合金、镁合金或高强钢。
3.根据权利要求1所述的一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤二中超低温度T的范围为-50～-196℃，超低温处理保持时间t的范围为0.5～20h，降温速率r的范围为10～50℃/min。
4.根据权利要求1所述的一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤六中激光光斑直径D为1～5mm，激光脉冲宽度τ为10～50ns，激光能量Elaser为0.6～12J，吸收层的吸收系数χ为0.1～0.7。
5.根据权利要求1所述的一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤七中激光光斑搭接率O为25％～75％，激光喷丸次数N为1～10次。
6.根据权利要求1所述的一种激光喷丸与超低温耦合强化金属材料振动疲劳性能的方法，其特征在于，所述步骤七中激光喷丸强化处理时，以厚度为1～3mm的K9玻璃或蓝宝石玻璃为约束层，以100～120um厚的铝箔为吸收层。
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2021
- 2021-01-14 CN CN202110047916.2A patent/CN112877536A/zh active Pending
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