基于激光噴丸微凹坑效應的表面質量與整體變形研究
發(fā)布時間：2021-11-04 04:31
激光噴丸強化是一種利用脈沖激光與物質相互作用產生的力學效應對金屬材料進行表面處理的技術,其具有高壓（GPaTPa）、超快（幾十納秒）、超高應變率(107108S-1,比爆炸成形高出100倍)的顯著特點,目前已廣泛應用于金屬改性上,然而目前對激光噴丸過程中的微凹坑效應、微凹坑引起的殘余應力分布、表面粗糙度變化、微凹坑累積的大變形及激光噴丸后的效果評價仍然缺乏統(tǒng)一的認識和深入的理解。本文針對激光噴丸強化TC4鈦合金表面微凹坑效應引起的表面粗糙度及殘余應力變化等內容開展了一系列基礎研究,為激光噴丸強化技術的工業(yè)應用提供了依據。論文取得了下列創(chuàng)新研究成果:1、構建了單點激光噴丸作用下材料表面凹坑深度的理論計算模型,分析了單點激光噴丸作用下材料表面凹坑形狀及尺寸演變機理。基于彈塑性力學、沖擊波傳遞等理論,從激光噴丸過程中材料的彈塑性變形出發(fā),建立了單光斑激光噴丸微凹坑理論模型。通過對激光功率密度、脈沖寬度及噴丸次數等關鍵參數的分析與實驗研究,獲得了不同激光工藝參數下凹坑形狀及尺寸的變化規(guī)...
【文章來源】：東南大學江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：126 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
激光噴丸強化原理圖
第一章緒論3Fabbro等人[21]在激光沖擊波峰值壓力模型的基礎上，繼續(xù)推導了激光沖擊塑性變形厚度、表面殘余應力與激光沖擊波峰值壓力及脈沖寬度的關系。塑性變形深度的計算式如下：(/())(()/2)PelplelplmLCCCCHELHEL(1-2)此處PL為塑性變形層深度；m為激光沖擊波峰值壓力；elC、plC為彈塑性波波速；為激光沖擊波持續(xù)時間；HEL為動態(tài)屈服強度�；谒苄宰冃紊疃扔嬎闶�，可推導出表面殘余應力的計算模型，具體如下[22]：00(1)42[][1(1)](1)pPsurfLa(1-3)式中surf為表面殘余應力；0為初始殘余應力；為泊松比；a為無限體半徑。圖1.2激光沖擊波峰值壓力采集原理:(a)VISAR測量沖擊波壓力[23];(b)PVDF測量沖擊波壓力[24-25]Fig1.2Acquisitionprincipleoflasershockwavepressure:(a)PressuremeasurementwithVISAR[23];(b)PressuremeasurementwithPVDF[24-25]Peyre等人[23-24]采用激光速度干涉儀VISAR(VelocityInterferometerSystemforAnyReflector)方法測量了脈寬10~20ns激光誘導的激光沖擊波，測量結果顯示激光沖擊波的持續(xù)時間約為脈沖寬度的2~3倍，具體測試原理如圖1.2(a)所示。除此之外，Peyre等人[25]還采用PVDF壓電薄膜對脈寬0.6~3ns的激光誘導的激光沖擊波進行了初步測量，具體原理如圖1.2(b)所示。國內對激光誘導的沖擊波的實驗測量研究開展較晚，中國科技大學激光研究所劉世偉、郭大浩等[26]利用PVDF測量了輸出能量10J、脈寬35ns的激光誘導沖擊波傳播過程。趙紅平等人[27]介紹了PVDF壓力傳感器的測試原理，并采用PVDF壓力傳感器測量了不同分層介質中壓力波的衰減過程。李志勇等人[28-29]
東南大學博士學位論文4同樣利用PVDF壓電薄膜測量了約束模式下脈沖激光沖擊波在鋁靶中的傳播過程，沖擊波演化波形如圖1.3所示，測量結果顯示沖擊波的波形與激光的輸出波形相似，初始階段，兩個波形即為緊密，而當激光能量達到峰值之后，可以看出激光沖擊波波形滯后于激光輸出波形，這表明激光沖擊波的衰減速率小于輸出激光能量的衰減速率，即激光沖擊波的持續(xù)時間大于輸出激光的脈沖寬度，測量結果證明沖擊波的持續(xù)時間約為脈寬的2倍，這與Peyre等人的測量結果相似，可以證明測量結果的準確性。段志勇等人[30]研究了激光沖擊波壓力與約束層關系，研究結果表明激光沖擊波的峰值壓力隨著約束層聲阻抗的增大而逐漸增大。圖1.3激光沖擊波演化波形[28]Fig1.3Lasershockwaveevolutionwaveform[28]1.2.2激光沖擊波動態(tài)傳播特性與規(guī)律激光沖擊波產生之后，由于約束層的存在，沖擊波向靶材內部傳播，激光沖擊波的傳播過程將直接影響到作用效果，因而研究激光沖擊波傳播過程有助于探討殘余應力場的形成機理，優(yōu)化工藝參數。自上世紀五十年代以來，經典沖擊波的傳播理論研究就已日臻完善[31-32]。在此基礎上，國內外學者開展了超高壓激光沖擊波的理論研究。1982年，Cottet[33-34]求解了沖擊壓力大于50GPa條件下沖擊波形成與衰減的解析式，具體解析式如下：2222(1)()[()][()]duDPPnCuDuDDuCDuCdPDxxx(1-4)在該模型中，Cottet將激光沖擊波壓力—時間簡化為三角形，通過該模型，可對激光沖擊波的形成、傳播及衰減過程進行分析。在此基礎上，Cottet進一步研究激光沖擊波，驗證了激光沖擊波的間斷性質。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]高能噴丸對Ti-6Al-4V鈦合金滲碳層耐磨性的影響[J]. 王耀勉,衛(wèi)娟茹,張聰惠,鄭敏. 稀有金屬. 2020(05)
[2]激光沖擊強化TC17葉片前緣模擬件的抗FOD性能[J]. 吳俊峰,鄒世坤,張永康,孫桂芳,倪中華,車志剛,曹子文. 稀有金屬材料與工程. 2018(11)
[3]多點激光沖擊強化表面粗糙度的有限元分析（英文）[J]. 朱然,張永康,孫桂芳,沈旭婷,李普. 稀有金屬材料與工程. 2018(01)
[4]變參數激光沖擊TC17鈦合金疲勞裂紋擴展特性[J]. 李媛,何衛(wèi)鋒,周舟. 激光與紅外. 2017(10)
[5]強流脈沖電子束表面改性30SiMn2MoVA鋼的顯微組織[J]. 周志明,陳光海,袁林,谷成渝,陳曦,李成信. 特種鑄造及有色合金. 2017(05)
[6]激光沖擊復合強化機理及在航空發(fā)動機部件上的應用研究[J]. 李應紅,何衛(wèi)鋒,周留成. 中國科學:技術科學. 2015(01)
[7]激光沖擊強化TC4鈦合金表面自納米化研究（英文）[J]. 車志剛,楊杰,鞏水利,曹子文,鄒世坤,許海鷹. 稀有金屬材料與工程. 2014(05)
[8]低塑性拋光技術在壓氣機葉片上的發(fā)展與應用[J]. 孫明霞,梁春華. 航空制造技術. 2014(07)
[9]激光沖擊強化對K4030合金葉片疲勞性能的影響[J]. 柴艷,任軍,何衛(wèi)鋒,何光宇,李玉琴. 激光與光電子學進展. 2014(01)
[10]激光沖擊葉片榫頭變形控制與疲勞試驗[J]. 何衛(wèi)鋒,李應紅,聶祥樊,李志豐,周留成. 航空學報. 2014(07)
博士論文
[1]基于納秒激光沖擊波效應的金屬表面形貌與性能研究[D]. 戴峰澤.江蘇大學 2014
[2]激光沖擊強化鋁合金力學性能及微觀塑性變形機理研究[D]. 魯金忠.江蘇大學 2010
[3]金屬板料激光沖擊變形機理及鋁板校形研究[D]. 丁華.江蘇大學 2010
[4]微尺度激光沖擊強化金屬靶材數值模擬與實驗研究[D]. 車志剛.華中科技大學 2009
[5]脈沖激光沖擊成形的理論與實驗研究[D]. 王飛.上海交通大學 2008
[6]激光沖擊處理工藝過程數值建模與沖擊效應研究[D]. 胡永祥.上海交通大學 2008
[7]金屬板料激光噴丸成形機制研究與數值分析[D]. 張興權.江蘇大學 2007
[8]金屬板料激光沖擊成形的理論研究[D]. 顧永玉.江蘇大學 2007
碩士論文
[1]高應變率下材料亞結構特征及其變化規(guī)律的研究[D]. 朱向群.江蘇大學 2005
[2]高速沖擊條件下PVDF傳感元件測壓技術及其工程應用[D]. 李思忠.四川大學 2001
本文編號：3475008
【文章來源】：東南大學江蘇省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：126 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
激光噴丸強化原理圖
第一章緒論3Fabbro等人[21]在激光沖擊波峰值壓力模型的基礎上，繼續(xù)推導了激光沖擊塑性變形厚度、表面殘余應力與激光沖擊波峰值壓力及脈沖寬度的關系。塑性變形深度的計算式如下：(/())(()/2)PelplelplmLCCCCHELHEL(1-2)此處PL為塑性變形層深度；m為激光沖擊波峰值壓力；elC、plC為彈塑性波波速；為激光沖擊波持續(xù)時間；HEL為動態(tài)屈服強度�；谒苄宰冃紊疃扔嬎闶�，可推導出表面殘余應力的計算模型，具體如下[22]：00(1)42[][1(1)](1)pPsurfLa(1-3)式中surf為表面殘余應力；0為初始殘余應力；為泊松比；a為無限體半徑。圖1.2激光沖擊波峰值壓力采集原理:(a)VISAR測量沖擊波壓力[23];(b)PVDF測量沖擊波壓力[24-25]Fig1.2Acquisitionprincipleoflasershockwavepressure:(a)PressuremeasurementwithVISAR[23];(b)PressuremeasurementwithPVDF[24-25]Peyre等人[23-24]采用激光速度干涉儀VISAR(VelocityInterferometerSystemforAnyReflector)方法測量了脈寬10~20ns激光誘導的激光沖擊波，測量結果顯示激光沖擊波的持續(xù)時間約為脈沖寬度的2~3倍，具體測試原理如圖1.2(a)所示。除此之外，Peyre等人[25]還采用PVDF壓電薄膜對脈寬0.6~3ns的激光誘導的激光沖擊波進行了初步測量，具體原理如圖1.2(b)所示。國內對激光誘導的沖擊波的實驗測量研究開展較晚，中國科技大學激光研究所劉世偉、郭大浩等[26]利用PVDF測量了輸出能量10J、脈寬35ns的激光誘導沖擊波傳播過程。趙紅平等人[27]介紹了PVDF壓力傳感器的測試原理，并采用PVDF壓力傳感器測量了不同分層介質中壓力波的衰減過程。李志勇等人[28-29]
東南大學博士學位論文4同樣利用PVDF壓電薄膜測量了約束模式下脈沖激光沖擊波在鋁靶中的傳播過程，沖擊波演化波形如圖1.3所示，測量結果顯示沖擊波的波形與激光的輸出波形相似，初始階段，兩個波形即為緊密，而當激光能量達到峰值之后，可以看出激光沖擊波波形滯后于激光輸出波形，這表明激光沖擊波的衰減速率小于輸出激光能量的衰減速率，即激光沖擊波的持續(xù)時間大于輸出激光的脈沖寬度，測量結果證明沖擊波的持續(xù)時間約為脈寬的2倍，這與Peyre等人的測量結果相似，可以證明測量結果的準確性。段志勇等人[30]研究了激光沖擊波壓力與約束層關系，研究結果表明激光沖擊波的峰值壓力隨著約束層聲阻抗的增大而逐漸增大。圖1.3激光沖擊波演化波形[28]Fig1.3Lasershockwaveevolutionwaveform[28]1.2.2激光沖擊波動態(tài)傳播特性與規(guī)律激光沖擊波產生之后，由于約束層的存在，沖擊波向靶材內部傳播，激光沖擊波的傳播過程將直接影響到作用效果，因而研究激光沖擊波傳播過程有助于探討殘余應力場的形成機理，優(yōu)化工藝參數。自上世紀五十年代以來，經典沖擊波的傳播理論研究就已日臻完善[31-32]。在此基礎上，國內外學者開展了超高壓激光沖擊波的理論研究。1982年，Cottet[33-34]求解了沖擊壓力大于50GPa條件下沖擊波形成與衰減的解析式，具體解析式如下：2222(1)()[()][()]duDPPnCuDuDDuCDuCdPDxxx(1-4)在該模型中，Cottet將激光沖擊波壓力—時間簡化為三角形，通過該模型，可對激光沖擊波的形成、傳播及衰減過程進行分析。在此基礎上，Cottet進一步研究激光沖擊波，驗證了激光沖擊波的間斷性質。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]高能噴丸對Ti-6Al-4V鈦合金滲碳層耐磨性的影響[J]. 王耀勉,衛(wèi)娟茹,張聰惠,鄭敏. 稀有金屬. 2020(05)
[2]激光沖擊強化TC17葉片前緣模擬件的抗FOD性能[J]. 吳俊峰,鄒世坤,張永康,孫桂芳,倪中華,車志剛,曹子文. 稀有金屬材料與工程. 2018(11)
[3]多點激光沖擊強化表面粗糙度的有限元分析（英文）[J]. 朱然,張永康,孫桂芳,沈旭婷,李普. 稀有金屬材料與工程. 2018(01)
[4]變參數激光沖擊TC17鈦合金疲勞裂紋擴展特性[J]. 李媛,何衛(wèi)鋒,周舟. 激光與紅外. 2017(10)
[5]強流脈沖電子束表面改性30SiMn2MoVA鋼的顯微組織[J]. 周志明,陳光海,袁林,谷成渝,陳曦,李成信. 特種鑄造及有色合金. 2017(05)
[6]激光沖擊復合強化機理及在航空發(fā)動機部件上的應用研究[J]. 李應紅,何衛(wèi)鋒,周留成. 中國科學:技術科學. 2015(01)
[7]激光沖擊強化TC4鈦合金表面自納米化研究（英文）[J]. 車志剛,楊杰,鞏水利,曹子文,鄒世坤,許海鷹. 稀有金屬材料與工程. 2014(05)
[8]低塑性拋光技術在壓氣機葉片上的發(fā)展與應用[J]. 孫明霞,梁春華. 航空制造技術. 2014(07)
[9]激光沖擊強化對K4030合金葉片疲勞性能的影響[J]. 柴艷,任軍,何衛(wèi)鋒,何光宇,李玉琴. 激光與光電子學進展. 2014(01)
[10]激光沖擊葉片榫頭變形控制與疲勞試驗[J]. 何衛(wèi)鋒,李應紅,聶祥樊,李志豐,周留成. 航空學報. 2014(07)
博士論文
[1]基于納秒激光沖擊波效應的金屬表面形貌與性能研究[D]. 戴峰澤.江蘇大學 2014
[2]激光沖擊強化鋁合金力學性能及微觀塑性變形機理研究[D]. 魯金忠.江蘇大學 2010
[3]金屬板料激光沖擊變形機理及鋁板校形研究[D]. 丁華.江蘇大學 2010
[4]微尺度激光沖擊強化金屬靶材數值模擬與實驗研究[D]. 車志剛.華中科技大學 2009
[5]脈沖激光沖擊成形的理論與實驗研究[D]. 王飛.上海交通大學 2008
[6]激光沖擊處理工藝過程數值建模與沖擊效應研究[D]. 胡永祥.上海交通大學 2008
[7]金屬板料激光噴丸成形機制研究與數值分析[D]. 張興權.江蘇大學 2007
[8]金屬板料激光沖擊成形的理論研究[D]. 顧永玉.江蘇大學 2007
碩士論文
[1]高應變率下材料亞結構特征及其變化規(guī)律的研究[D]. 朱向群.江蘇大學 2005
[2]高速沖擊條件下PVDF傳感元件測壓技術及其工程應用[D]. 李思忠.四川大學 2001
本文編號：3475008
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