基于激光喷丸微凹坑效应的表面质量与整体变形研究
发布时间：2021-11-04 04:31
激光喷丸强化是一种利用脉冲激光与物质相互作用产生的力学效应对金属材料进行表面处理的技术,其具有高压（GPaTPa）、超快（几十纳秒）、超高应变率(107108S-1,比爆炸成形高出100倍)的显著特点,目前已广泛应用于金属改性上,然而目前对激光喷丸过程中的微凹坑效应、微凹坑引起的残余应力分布、表面粗糙度变化、微凹坑累积的大变形及激光喷丸后的效果评价仍然缺乏统一的认识和深入的理解。本文针对激光喷丸强化TC4钛合金表面微凹坑效应引起的表面粗糙度及残余应力变化等内容开展了一系列基础研究,为激光喷丸强化技术的工业应用提供了依据。论文取得了下列创新研究成果:1、构建了单点激光喷丸作用下材料表面凹坑深度的理论计算模型,分析了单点激光喷丸作用下材料表面凹坑形状及尺寸演变机理。基于弹塑性力学、冲击波传递等理论,从激光喷丸过程中材料的弹塑性变形出发,建立了单光斑激光喷丸微凹坑理论模型。通过对激光功率密度、脉冲宽度及喷丸次数等关键参数的分析与实验研究,获得了不同激光工艺参数下凹坑形状及尺寸的变化规...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光喷丸强化原理图
第一章绪论3Fabbro等人[21]在激光冲击波峰值压力模型的基础上，继续推导了激光冲击塑性变形厚度、表面残余应力与激光冲击波峰值压力及脉冲宽度的关系。塑性变形深度的计算式如下：(/())(()/2)PelplelplmLCCCCHELHEL(1-2)此处PL为塑性变形层深度；m为激光冲击波峰值压力；elC、plC为弹塑性波波速；为激光冲击波持续时间；HEL为动态屈服强度。基于塑性变形深度计算式，可推导出表面残余应力的计算模型，具体如下[22]：00(1)42[][1(1)](1)pPsurfLa(1-3)式中surf为表面残余应力；0为初始残余应力；为泊松比；a为无限体半径。图1.2激光冲击波峰值压力采集原理:(a)VISAR测量冲击波压力[23];(b)PVDF测量冲击波压力[24-25]Fig1.2Acquisitionprincipleoflasershockwavepressure:(a)PressuremeasurementwithVISAR[23];(b)PressuremeasurementwithPVDF[24-25]Peyre等人[23-24]采用激光速度干涉仪VISAR(VelocityInterferometerSystemforAnyReflector)方法测量了脉宽10~20ns激光诱导的激光冲击波，测量结果显示激光冲击波的持续时间约为脉冲宽度的2~3倍，具体测试原理如图1.2(a)所示。除此之外，Peyre等人[25]还采用PVDF压电薄膜对脉宽0.6~3ns的激光诱导的激光冲击波进行了初步测量，具体原理如图1.2(b)所示。国内对激光诱导的冲击波的实验测量研究开展较晚，中国科技大学激光研究所刘世伟、郭大浩等[26]利用PVDF测量了输出能量10J、脉宽35ns的激光诱导冲击波传播过程。赵红平等人[27]介绍了PVDF压力传感器的测试原理，并采用PVDF压力传感器测量了不同分层介质中压力波的衰减过程。李志勇等人[28-29]
东南大学博士学位论文4同样利用PVDF压电薄膜测量了约束模式下脉冲激光冲击波在铝靶中的传播过程，冲击波演化波形如图1.3所示，测量结果显示冲击波的波形与激光的输出波形相似，初始阶段，两个波形即为紧密，而当激光能量达到峰值之后，可以看出激光冲击波波形滞后于激光输出波形，这表明激光冲击波的衰减速率小于输出激光能量的衰减速率，即激光冲击波的持续时间大于输出激光的脉冲宽度，测量结果证明冲击波的持续时间约为脉宽的2倍，这与Peyre等人的测量结果相似，可以证明测量结果的准确性。段志勇等人[30]研究了激光冲击波压力与约束层关系，研究结果表明激光冲击波的峰值压力随着约束层声阻抗的增大而逐渐增大。图1.3激光冲击波演化波形[28]Fig1.3Lasershockwaveevolutionwaveform[28]1.2.2激光冲击波动态传播特性与规律激光冲击波产生之后，由于约束层的存在，冲击波向靶材内部传播，激光冲击波的传播过程将直接影响到作用效果，因而研究激光冲击波传播过程有助于探讨残余应力场的形成机理，优化工艺参数。自上世纪五十年代以来，经典冲击波的传播理论研究就已日臻完善[31-32]。在此基础上，国内外学者开展了超高压激光冲击波的理论研究。1982年，Cottet[33-34]求解了冲击压力大于50GPa条件下冲击波形成与衰减的解析式，具体解析式如下：2222(1)()[()][()]duDPPnCuDuDDuCDuCdPDxxx(1-4)在该模型中，Cottet将激光冲击波压力—时间简化为三角形，通过该模型，可对激光冲击波的形成、传播及衰减过程进行分析。在此基础上，Cottet进一步研究激光冲击波，验证了激光冲击波的间断性质。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高能喷丸对Ti-6Al-4V钛合金渗碳层耐磨性的影响[J]. 王耀勉,卫娟茹,张聪惠,郑敏. 稀有金属. 2020(05)
[2]激光冲击强化TC17叶片前缘模拟件的抗FOD性能[J]. 吴俊峰,邹世坤,张永康,孙桂芳,倪中华,车志刚,曹子文. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[3]多点激光冲击强化表面粗糙度的有限元分析（英文）[J]. 朱然,张永康,孙桂芳,沈旭婷,李普. 稀有金属材料与工程. 2018(01)
[4]变参数激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展特性[J]. 李媛,何卫锋,周舟. 激光与红外. 2017(10)
[5]强流脉冲电子束表面改性30SiMn2MoVA钢的显微组织[J]. 周志明,陈光海,袁林,谷成渝,陈曦,李成信. 特种铸造及有色合金. 2017(05)
[6]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[J]. 李应红,何卫锋,周留成. 中国科学:技术科学. 2015(01)
[7]激光冲击强化TC4钛合金表面自纳米化研究（英文）[J]. 车志刚,杨杰,巩水利,曹子文,邹世坤,许海鹰. 稀有金属材料与工程. 2014(05)
[8]低塑性抛光技术在压气机叶片上的发展与应用[J]. 孙明霞,梁春华. 航空制造技术. 2014(07)
[9]激光冲击强化对K4030合金叶片疲劳性能的影响[J]. 柴艳,任军,何卫锋,何光宇,李玉琴. 激光与光电子学进展. 2014(01)
[10]激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验[J]. 何卫锋,李应红,聂祥樊,李志丰,周留成. 航空学报. 2014(07)
博士论文
[1]基于纳秒激光冲击波效应的金属表面形貌与性能研究[D]. 戴峰泽.江苏大学 2014
[2]激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究[D]. 鲁金忠.江苏大学 2010
[3]金属板料激光冲击变形机理及铝板校形研究[D]. 丁华.江苏大学 2010
[4]微尺度激光冲击强化金属靶材数值模拟与实验研究[D]. 车志刚.华中科技大学 2009
[5]脉冲激光冲击成形的理论与实验研究[D]. 王飞.上海交通大学 2008
[6]激光冲击处理工艺过程数值建模与冲击效应研究[D]. 胡永祥.上海交通大学 2008
[7]金属板料激光喷丸成形机制研究与数值分析[D]. 张兴权.江苏大学 2007
[8]金属板料激光冲击成形的理论研究[D]. 顾永玉.江苏大学 2007
硕士论文
[1]高应变率下材料亚结构特征及其变化规律的研究[D]. 朱向群.江苏大学 2005
[2]高速冲击条件下PVDF传感元件测压技术及其工程应用[D]. 李思忠.四川大学 2001
本文编号：3475008
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光喷丸强化原理图
第一章绪论3Fabbro等人[21]在激光冲击波峰值压力模型的基础上，继续推导了激光冲击塑性变形厚度、表面残余应力与激光冲击波峰值压力及脉冲宽度的关系。塑性变形深度的计算式如下：(/())(()/2)PelplelplmLCCCCHELHEL(1-2)此处PL为塑性变形层深度；m为激光冲击波峰值压力；elC、plC为弹塑性波波速；为激光冲击波持续时间；HEL为动态屈服强度。基于塑性变形深度计算式，可推导出表面残余应力的计算模型，具体如下[22]：00(1)42[][1(1)](1)pPsurfLa(1-3)式中surf为表面残余应力；0为初始残余应力；为泊松比；a为无限体半径。图1.2激光冲击波峰值压力采集原理:(a)VISAR测量冲击波压力[23];(b)PVDF测量冲击波压力[24-25]Fig1.2Acquisitionprincipleoflasershockwavepressure:(a)PressuremeasurementwithVISAR[23];(b)PressuremeasurementwithPVDF[24-25]Peyre等人[23-24]采用激光速度干涉仪VISAR(VelocityInterferometerSystemforAnyReflector)方法测量了脉宽10~20ns激光诱导的激光冲击波，测量结果显示激光冲击波的持续时间约为脉冲宽度的2~3倍，具体测试原理如图1.2(a)所示。除此之外，Peyre等人[25]还采用PVDF压电薄膜对脉宽0.6~3ns的激光诱导的激光冲击波进行了初步测量，具体原理如图1.2(b)所示。国内对激光诱导的冲击波的实验测量研究开展较晚，中国科技大学激光研究所刘世伟、郭大浩等[26]利用PVDF测量了输出能量10J、脉宽35ns的激光诱导冲击波传播过程。赵红平等人[27]介绍了PVDF压力传感器的测试原理，并采用PVDF压力传感器测量了不同分层介质中压力波的衰减过程。李志勇等人[28-29]
东南大学博士学位论文4同样利用PVDF压电薄膜测量了约束模式下脉冲激光冲击波在铝靶中的传播过程，冲击波演化波形如图1.3所示，测量结果显示冲击波的波形与激光的输出波形相似，初始阶段，两个波形即为紧密，而当激光能量达到峰值之后，可以看出激光冲击波波形滞后于激光输出波形，这表明激光冲击波的衰减速率小于输出激光能量的衰减速率，即激光冲击波的持续时间大于输出激光的脉冲宽度，测量结果证明冲击波的持续时间约为脉宽的2倍，这与Peyre等人的测量结果相似，可以证明测量结果的准确性。段志勇等人[30]研究了激光冲击波压力与约束层关系，研究结果表明激光冲击波的峰值压力随着约束层声阻抗的增大而逐渐增大。图1.3激光冲击波演化波形[28]Fig1.3Lasershockwaveevolutionwaveform[28]1.2.2激光冲击波动态传播特性与规律激光冲击波产生之后，由于约束层的存在，冲击波向靶材内部传播，激光冲击波的传播过程将直接影响到作用效果，因而研究激光冲击波传播过程有助于探讨残余应力场的形成机理，优化工艺参数。自上世纪五十年代以来，经典冲击波的传播理论研究就已日臻完善[31-32]。在此基础上，国内外学者开展了超高压激光冲击波的理论研究。1982年，Cottet[33-34]求解了冲击压力大于50GPa条件下冲击波形成与衰减的解析式，具体解析式如下：2222(1)()[()][()]duDPPnCuDuDDuCDuCdPDxxx(1-4)在该模型中，Cottet将激光冲击波压力—时间简化为三角形，通过该模型，可对激光冲击波的形成、传播及衰减过程进行分析。在此基础上，Cottet进一步研究激光冲击波，验证了激光冲击波的间断性质。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高能喷丸对Ti-6Al-4V钛合金渗碳层耐磨性的影响[J]. 王耀勉,卫娟茹,张聪惠,郑敏. 稀有金属. 2020(05)
[2]激光冲击强化TC17叶片前缘模拟件的抗FOD性能[J]. 吴俊峰,邹世坤,张永康,孙桂芳,倪中华,车志刚,曹子文. 稀有金属材料与工程. 2018(11)
[3]多点激光冲击强化表面粗糙度的有限元分析（英文）[J]. 朱然,张永康,孙桂芳,沈旭婷,李普. 稀有金属材料与工程. 2018(01)
[4]变参数激光冲击TC17钛合金疲劳裂纹扩展特性[J]. 李媛,何卫锋,周舟. 激光与红外. 2017(10)
[5]强流脉冲电子束表面改性30SiMn2MoVA钢的显微组织[J]. 周志明,陈光海,袁林,谷成渝,陈曦,李成信. 特种铸造及有色合金. 2017(05)
[6]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[J]. 李应红,何卫锋,周留成. 中国科学:技术科学. 2015(01)
[7]激光冲击强化TC4钛合金表面自纳米化研究（英文）[J]. 车志刚,杨杰,巩水利,曹子文,邹世坤,许海鹰. 稀有金属材料与工程. 2014(05)
[8]低塑性抛光技术在压气机叶片上的发展与应用[J]. 孙明霞,梁春华. 航空制造技术. 2014(07)
[9]激光冲击强化对K4030合金叶片疲劳性能的影响[J]. 柴艳,任军,何卫锋,何光宇,李玉琴. 激光与光电子学进展. 2014(01)
[10]激光冲击叶片榫头变形控制与疲劳试验[J]. 何卫锋,李应红,聂祥樊,李志丰,周留成. 航空学报. 2014(07)
博士论文
[1]基于纳秒激光冲击波效应的金属表面形貌与性能研究[D]. 戴峰泽.江苏大学 2014
[2]激光冲击强化铝合金力学性能及微观塑性变形机理研究[D]. 鲁金忠.江苏大学 2010
[3]金属板料激光冲击变形机理及铝板校形研究[D]. 丁华.江苏大学 2010
[4]微尺度激光冲击强化金属靶材数值模拟与实验研究[D]. 车志刚.华中科技大学 2009
[5]脉冲激光冲击成形的理论与实验研究[D]. 王飞.上海交通大学 2008
[6]激光冲击处理工艺过程数值建模与冲击效应研究[D]. 胡永祥.上海交通大学 2008
[7]金属板料激光喷丸成形机制研究与数值分析[D]. 张兴权.江苏大学 2007
[8]金属板料激光冲击成形的理论研究[D]. 顾永玉.江苏大学 2007
硕士论文
[1]高应变率下材料亚结构特征及其变化规律的研究[D]. 朱向群.江苏大学 2005
[2]高速冲击条件下PVDF传感元件测压技术及其工程应用[D]. 李思忠.四川大学 2001
本文编号：3475008
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