發(fā)布時(shí)間：2020-08-08 18:16

【摘要】：鋁合金具有密度低、比強(qiáng)度高、塑性強(qiáng)等特點(diǎn),在航空航天、汽車制造、海洋工程等高端制造行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,其各項(xiàng)機(jī)械性能對大型尖端設(shè)備的服役壽命具有重大影響。通常鋁合金材料的表面硬度較低,在潮濕、高強(qiáng)度工況下服役時(shí),容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕、局部腐蝕、疲勞斷裂等多種形式的破壞,從而降低了鋁合金的機(jī)械性能及服役壽命。激光沖擊強(qiáng)化是一種新型表面強(qiáng)化技術(shù),可以有效改善金屬及合金材料的微觀組織及表面完整性,抑制材料表面裂紋的萌生和擴(kuò)展,提高金屬材料的機(jī)械性能,常應(yīng)用于零部件關(guān)鍵部位的表面強(qiáng)化處理。但目前,關(guān)于多層激光沖擊強(qiáng)化對鋁合金抗腐蝕性能及拉伸性能的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究,本文以6061-T6鋁合金為研究對象,構(gòu)建了多參數(shù)集成控制的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng),采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)分析的研究方法,對多層激光沖擊鋁合金的抗電化學(xué)腐蝕性能和拉伸性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)構(gòu)建了多參數(shù)集成控制的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)。通過構(gòu)建多參數(shù)集成控制的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng),解決了學(xué)校激光所在5軸工作平臺上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí),存在自由度低,沖擊范圍受限制,運(yùn)動(dòng)范圍被干涉,且無法進(jìn)行葉片等復(fù)雜零件沖擊強(qiáng)化的問題。整個(gè)系統(tǒng)集激光器、機(jī)械手及其控制柜、水循環(huán)系統(tǒng)、外部光路系統(tǒng)、以及PC離線軟件系統(tǒng)于一體,并且各個(gè)系統(tǒng)間相互聯(lián)動(dòng),被加工零件可在空間內(nèi)自由旋轉(zhuǎn),并通過新型的激光強(qiáng)化工藝實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜曲面的激光沖擊強(qiáng)化。(2)通過ABAQUS有限元軟件對6061-T6鋁合金試樣進(jìn)行了1層、2層、3層激光沖擊數(shù)值模擬研究,為多層激光沖擊鋁合金試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。隨著激光沖擊層數(shù)的增加,6061-T6鋁合金表面的殘余壓應(yīng)力增加,殘余應(yīng)力分布更加均勻。應(yīng)力在截面垂直方向呈“壓應(yīng)力—拉應(yīng)力—壓應(yīng)力”的分布。經(jīng)過多層激光沖擊,6061-T6鋁合金試樣表面發(fā)生了明顯的塑性變形,材料整體由于模型內(nèi)部的力學(xué)平衡而發(fā)生宏觀塑性變形,并且隨著沖擊層數(shù)的增加,“拱橋”狀宏觀變形更加明顯。(3)利用多參數(shù)集成控制的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)對6061-T6鋁合金試樣進(jìn)行了單面1層、2層、3層激光沖擊處理,研究了多層激光沖擊強(qiáng)化后,材料表面殘余應(yīng)力、微觀組織、表面粗糙度的改變對抗電化學(xué)腐蝕性能的影響。經(jīng)過多層激光沖擊強(qiáng)化后,試樣表面殘余壓應(yīng)力最大值從1層沖擊后的-68MPa提升到3層沖擊后的-107 MPa,表面顯微硬度從未沖擊試樣的110 HV提升到3層沖擊后的188 HV,表面粗糙度隨著沖擊層數(shù)的增加而降低,試樣表面晶粒細(xì)化層深度從1層沖擊后的130μm增加到3層沖擊后的170μm。多層激光沖擊后,6061-T6鋁合金電化學(xué)腐蝕電位正移,電化學(xué)阻抗增大,腐蝕電流減小,材料表現(xiàn)出更好的抗腐蝕性。6061-T6鋁合金表面產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力、晶粒細(xì)化及較低的表面粗糙度有利于提高材料的抗電化學(xué)腐蝕性能,材料表面腐蝕程度降低,腐蝕坑尺寸減小。(4)利用多參數(shù)集成控制的激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)對6061-T6鋁合金試樣進(jìn)行了雙面1層、2層、3層激光沖擊處理,研究了不同層數(shù)激光沖擊后鋁合金的拉伸性能,對斷口形貌進(jìn)行了表征,揭示了激光沖擊強(qiáng)化層數(shù)對6061-T6鋁合金材料拉伸性能的影響機(jī)制。雙面多層激光沖擊強(qiáng)化大幅提升了試樣的極限抗拉強(qiáng)度,經(jīng)過3層沖擊后,試樣的極限抗拉強(qiáng)度提升到255 MPa,較未沖擊試樣共提升了13.3%。材料的伸長率先減小后增大,由未沖擊試樣的13.6%降到1層沖擊后的11.3%,再提升到3層沖擊后的14.3%。3層沖擊后,拉伸試樣斷口內(nèi)部的韌窩大小分布更加均勻,韌窩密度提升,韌窩尺寸大小約為10μm。分析了材料表層細(xì)化晶粒、殘余應(yīng)力分布及表面粗糙度在多層沖擊下對裂紋萌生和擴(kuò)展的影響,揭示了激光沖擊層數(shù)對6061-T6鋁合金拉伸性能的影響機(jī)制。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN249;TG146.21
【圖文】：

多層激光沖擊強(qiáng)化 6061-T6 鋁合金抗電化學(xué)腐蝕及拉伸性能研究僅有效降低了能耗，還加快了表征材料的變形速度，達(dá)到機(jī)械沖壓的 1000 右，比爆炸成形高出 100 倍，并且可以對復(fù)雜零件中溝、槽、拐角等難加工進(jìn)行有效處理，具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu)點(diǎn)和顯著的技術(shù)優(yōu)勢[12-16]。

圖 1.2 激光沖擊強(qiáng)化示意圖[17]Fig. 1.2 Laser shock peening schematic[17]在激光沖擊過程中，當(dāng)沖擊波產(chǎn)生的壓力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，沖擊區(qū)域發(fā)生塑性變形，如圖 1.3(a)所示，未沖擊區(qū)域受沖擊區(qū)域擠壓在軸向方向產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，當(dāng)沖擊完成后，為平衡材料內(nèi)部的應(yīng)力，材料試圖恢復(fù)沖擊前的狀態(tài)，未沖擊區(qū)域?qū)_擊區(qū)域在軸向方向上產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場[18]。

圖 1.2 激光沖擊強(qiáng)化示意圖[17]Fig. 1.2 Laser shock peening schematic[17]在激光沖擊過程中，當(dāng)沖擊波產(chǎn)生的壓力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，沖擊區(qū)域發(fā)生塑性變形，如圖 1.3(a)所示，未沖擊區(qū)域受沖擊區(qū)域擠壓在軸向方向產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，當(dāng)沖擊完成后，為平衡材料內(nèi)部的應(yīng)力，材料試圖恢復(fù)沖擊前的狀態(tài)，未沖擊區(qū)域?qū)_擊區(qū)域在軸向方向上產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場[18]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2785929