激光冲击强化铜靶材表面质量及力学性能研究

发布时间：2019-07-11 18:48

【摘要】：高能脉冲激光在约束模型条件下会产生高强冲击波,在航空航天、汽车制造、发动机叶片强化等多个领域具有重要的工业应用,包括激光冲击强化(LSP)、激光冲击成形等。其中激光冲击强化是激光冲击波最重要的应用领域,它会使被冲击材料的表层引入高幅、深度较大的残余压应力层,残余压应力的存在会大幅度提高工件处理表面的疲劳寿命。然而由于激光光斑对材料表层区域辐射时为了覆盖更大面积的区域,则需要进行搭接处理。搭接光斑作用在材料表面时,会在作用区域产生塑性变形,留下微米量级的凹坑,增大材料的表面粗糙度。而影响零部件疲劳寿命的关键因素之一就是材料的表面质量,主要涉及材料的表面形貌和表面粗糙度。本文主要针对激光冲击强化后靶材的表面质量和材料性能开展研究。并通过有限元仿真软件对激光冲击金属材料发生塑性变形以及其中残余应力场的变化这一动态过程进行数值计算和结果分析。研究成果和相关结论如下：(1)以T2紫铜为冲击靶材,分别选用铝箔胶带、高分子黑胶带、退火铝箔和不退火铝箔材料作为吸收层,水作为约束层,进行激光冲击强化实验。研究不同材料吸收层对激光冲击后铜块靶材的表面形貌改变,用光学显微镜观察冲击后靶材表面,发现当选用铝箔胶带作吸收层时,材料表面出现微缺陷;用分子黑胶带作为吸收层时,表面形貌几乎不发生改变,冲击区域的表面质量较高;退火铝箔作为吸收层时,会因吸收层厚度过度烧蚀从而在材料表面观察到焊覆在靶材表面的铝箔;不退火铝箔作为吸收层时,会破坏材料表面,因此不能作为吸收层。(2)光斑搭接率对激光冲击强化的效果有着重要的影响。实验选用30%,40%和50%三种不同光斑搭接率进行激光冲击强化,实验结果显示,初始表面粗糙度较高的材料随着光斑搭接率的提高,冲击后材料的表面粗糙度会显著降低,表面质量较好。初始表面粗糙度较低的材料随着光斑搭接率的提高,冲击后材料的表面粗糙度会有所提高,表面质量较差。(3)相同激光注入能量,不同激光冲击方式也会对激光冲击强化效果有影响。在激光冲击强化实验中设计了三种不同冲击方式的实验,分别探究了其对材料性能改变的影响。用显微硬度仪对冲击区域的深度方向的硬度进行了检测,实验结果表明将相同能量分两次注入的冲击方式得到的冲击后硬度相比一次激光能量注入的冲击方式有着明显的提高。(4)借助Abaqus软件对激光冲击强化这一动态过程进行数值计算,分析了残余应力场的形成过程和不同冲击方式对残余压应力的影响以及不同冲击方式对表面质量的影响。结果表明,第二次错开的激光冲击方式会进一步提高材料的残余压应力和表面粗糙度,因此合理的选择冲击方式对残余应力和表面质量的控制十分重要。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG665

【参考文献】