温度对激光喷丸强化2024航空铝合金表面力学性能的影响

作者:孟宪凯[1];周建忠[1];苏纯[1,2];黄舒[1];盛杰[1];陈寒松[1];徐家乐[1] 刊名:中国激光 上传者:林金胜

【摘要】在不同温度下对2024-T351航空铝合金进行了激光喷丸(LP),研究了温度对其表面力学性能的影响规律,并结合微观组织分析得出了激光温喷丸(WLP)对2024-T351航空铝合金的强化机理。结果表明,激光喷丸2024-T351航空铝合金的显微硬度随喷丸温度的升高而增大,弥散强化效应使得120 ℃激光温喷丸在2024-T351航空铝合金表面诱导的残余压应力幅值显著高于常温激光喷丸。

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2024-T351航空铝合金具有较高的比强度及良好的加工塑性,广泛应用于各类飞机结构件和航空关键零部件的制造。飞机结构件与航空关键零部件通常在循环载荷工况下服役,疲劳断裂是其主要的失效形式。1002003-1表面强化技术是目前常用的疲劳延寿技术之一,主要包括喷丸(SP)、深滚压(DR)以及激光喷丸(LP)等[1-3]。LP由于较高的残余压应力以及较低的表面粗糙度,在表面强化领域得到快速的应用[4],而SP、DR、LP诱导的残余压应力场在高温或者交变载荷下并不稳定,容易出现应力松弛[5]。研究表明,热力耦合作用(TMCE)通过高温对材料应力应变过程以及微观组织产生复杂影响,可以显著提高残余压应力的稳定性,进而大幅提高材料的疲劳寿命[6-7]。针对激光喷丸强化性能在高温和交变载荷作用下的释放问题,Ye等[8-10]提出了激光温喷丸(WLP)技术,将LP与TMCE的优势相结合,大幅提高了LP诱导残余压应力的稳定性和材料在循环载荷或者高温下的疲劳寿命。本文以2024-T351航空铝合金为研究对象,研究温度对激光喷丸强化2024-T351航空铝合金表面力学性能的影响规律,并结合不同温度下激光喷丸强化2024-T351航空铝合金的晶粒分布以及位错形态,探索激光温喷丸对2024-T351航空铝合金的强化机理。2实验方法2.1实验材料及试样实验材料选用厚度为2mm的2024-T351航空铝合金板材,其化学成分以及典型机械性能见表1、2。使用线切割机将2024铝合金板材切割成20mm20mm的方形试样,然后打磨抛光至表面粗糙度小于等于0.05m。表12024-T351铝合金的化学成分(质量分数,%)Table1Chemicalcompositionsof2024-T351aluminumalloy(massfraction,%)ElementCuSiFeMnMgZnCrTiAlContent3.5~4.50.50.50.3~0.90.2~1.80.250.100.15Bal.表22024-T351铝合金的典型机械性能Table2Representativemechanicalpropertiesof2024-T351aluminumalloyMechanicalpropertyYieldstrength/MPaTensilestrength/MPaElongation/%Shearstrength/MPaValue470325202852.2激光喷丸实验激光温喷丸实验的原理如图1所示[9],其通过热力耦合作用诱导产生动态应变时效及动态析出,可以有效改善金属或合金材料的微观组织,进而获得更为优良的机械力学性能。采用NdYAG纳秒激光器对2024-T351铝合金试样表面进行激光喷丸强化。激光喷丸实验的工艺参数为:激光功率密度5GW/cm2,光斑直径3mm,喷丸区域12mm12mm,搭接率50%。为了研究温度对激光喷丸2024-T351航空铝合金力学性能的影响,激光喷丸实验分别在常温(25)、80以及120下进行。由于水的沸点较低,因此采用二甲基硅油作为激光喷丸实验的约束层,其型号及材料特性见表3。吸收层是厚度为120m的铝箔。激光温喷丸实验中,硅油温度以及试样表面温度均使用温度传感器测量并通过控制器控制,温控精度为0.1。经过室温激光喷丸(RT-LP)与激光温喷丸(WLP)后2024-T351航空铝合金的表面形貌分别如图2所示。图1激光温喷丸原理图[9]Fig.1Schematicdiagramofwarmlaserpeening[9]1002003-2表3PMX-2

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