高温服役材料激光冲击强化技术

定　　价：79 元

• 作者：任旭东著
• 出版时间：2014/11/1
• ISBN：9787030424952
• 出 版 社：科学出版社

• 中图法分类：TN24 
• 页码：212
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：大32开

内容简介

　　《高温服役材料激光冲击强化技术》是关于高温服役材料激光冲击强化技术的专著，总结了激光冲击强化技术在高温服役材料方面的应用和近期发展成果，较为系统地描述了激光冲击强化的基本理论，通过对各种合金材料在中高温服役环境下激光冲击强化处理的研究，介绍了激光冲击强化技术对中高温服役环境下关键件材料的表面完整性、疲劳寿命、力学性能、组织性能等的影响，充分反映了这项技术的先进性与实用性。

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目 录

目录
序
前言
第1章 激光冲击强化技术 1
1.1 激光冲击强化技术的应用和发展趋势 3
1.1.1 激光冲击强化技术的国内外应用 3
1.1.2 激光冲击强化技术的发展趋势 4
1.1.3 激光冲击数值模拟的发展 5
1.2 激光冲击强化过程理论分析 7
1.2.1 激光辐照效应 7
1.2.2 材料对激光的吸收 8
1.2.3 激光对材料的加热 9
1.2.4 激光冲击波作用 11
1.2.5 Fabbro经典激光冲击模型 14
1.2.6 冲击波压力空间和时间分布 15
1.3 激光冲击的两种强化模型 16
1.3.1 非约束模型 17
1.3.2 约束模型 17
1.4 激光冲击强化微观组织机理基础 18
1.4.1 位错 18
1.4.2 晶界与晶粒 20
1.4.3 析出相与位错的相互作用 21
1.5 激光冲击强化有限元分析的理论基础 22
1.5.1 有限元法简介 22
1.5.2 激光冲击强化有限元分析 23
1.5.3 热释放温度场有限元分析理论 24
1.6 本章 小结 26
参考文献 26
第2章 高温服役材料的疲劳安全寿命 29
2.1 疲劳寿命统计分析方法 29
2.1.1 作图法 30
2.1.2 解析法 30
2.2 材料疲劳安全寿命估算方法 31
2.2.1 单侧容限因数法 32
2.2.2 二维威布尔模型法 35
2.3 材料疲劳寿命估算方法比较 38
2.4 本章小结 38
参考文献 39
第3章 激光冲击强化对铝合金疲劳寿命的影响 40
3.1 7050-T7451铝合金激光冲击强化 41
3.1.1 7050-T7451铝合金材料的制备 41
3.1.2 7050-T7451铝合金的激光冲击处理 41
3.2 激光冲击对7050-T7451铝合金疲劳寿命的影响 42
3.3 7050-T7451铝合金疲劳安全寿命估算 44
3.3.1 单侧容限因数法估算结果 44
3.3.2 二维威布尔模型法估算结果 46
3.3.3 铝合金疲劳安全寿命方法确定 48
3.4 本章小结 49
参考文献 49
第4章 高温服役下镍基合金激光冲击力学性能提升 51
4.1 高温条件下激光冲击工艺 52
4.1.1 激光冲击材料与仪器的选择 52
4.1.2 激光冲击工艺参数的确定 53
4.1.3 高温条件下激光冲击工艺改进实施 55
4.2 激光冲击残余压应力高温释放 56
4.2.1 激光冲击诱导残余压应力的原理 56
4.2.2 镍基合金诱导残余压应力热释放的规律 58
4.2.3 残余压应力对材料裂纹扩展的影响 61
4.2.4 裂纹扩展FRANC2D/L数值模拟 63
4.3 激光冲击对镍基合金表面形貌及其粗糙度的影响 68
4.4 高温条件下镍基合金显微硬度变化 70
4.4.1 单光斑硬度分布 72
4.4.2 温度对合金表面显微硬度影响 72
4.4.3 温度对合金深度方向显微硬度影响 74
4.5 本章小结 78
第5章 镍基高温合金应力场与热释放数值模拟 81
5.1 激光冲击强化过程有限元模型的建立 81
5.1.1 几何模型的创建 81
5.1.2 网格划分和网格单元选择 81
5.1.3 材料本构模型确定 82
5.1.4 冲击波压力载荷加载 83
5.1.5 边界条件和求解控制条件的选择 84
5.2 残余应力场的形成与分布 85
5.2.1 激光冲击波的传播 85
5.2.2 残余应力场分析 86
5.3 激光冲击参数对残余应力场的影响 87
5.3.1 功率密度对残余应力场的影响 87
5.3.2 激光冲击次数对残余应力场的影响 89
5.4 残余应力热释放分析 91
5.4.1 残余应力热释放数值模拟 91
5.4.2 残余应力热释放分析模型 94
5.5 本章小结 96
参考文献 97
第6章 激光冲击强化镍基高温合金性能研究 100
6.1 镍基高温合金的激光冲击强化 100
6.2 激光强化的残余应力场与中高温热释放 101
6.2.1 激光强化诱导残余应力场 101
6.2.2 高温合金残余应力热释放分析 102
6.3 高温合金残余应力模拟与测量 103
6.3.1 应力场与温度场的有限元分析过程 103
6.3.2 残余应力模拟与测量结果对比 104
6.4 镍基高温合金硬度热稳定性 109
6.5 镍基高温合金显微组织热稳定性 110
6.5.1 激光冲击强化镍基高温合金显微组织变化 110
6.5.2 激光冲击强化处理微观组织的热稳定性分析 113
6.6 本章小结 114
参考文献 115
第7章 激光冲击渗铝复合处理对耐热钢性能的影响 117
7.1 激光冲击与渗铝复合处理 117
7.1.1 渗铝工艺 117
7.1.2 激光冲击渗铝复合处理工艺 118
7.2 激光冲击渗铝复合处理对耐热钢组织性能的影响 119
7.2.1 12CrMoV合金钢组织性能强化背景 119
7.2.2 复合处理对12CrMoV组织性能的影响 120
参考文献 125
第8章 激光冲击渗铝复合处理对00Crl2高温力学性能的影响 127
8.1 激光冲击渗铝复合处理对00&12力学性能的影响 128
8.1.1 00Crl2的化学组成 128
8.1.2 激光冲击强化与渗铝复合强化对00Crl2的性能影响 129
8.2 本章小结 144
参考文献 145
第9章 激光冲击强化对00Crl2力学性能和高温疲劳寿命的影响 147
9.1 激光冲击00Crl2常温髙频疲劳分析 147
9.1.100 Crl2合金钢的制备 147
9.1.200 Crl2合金钢的激光冲击处理 147
9.1.300 Crl2合金钢的常温疲劳安全寿命估算 148
9.2 激光冲击00Crl2高温疲劳分析 152
9.2.1 激光冲击00Crl2合金钢的高温疲劳处理 152
9.2.2 激光冲击和高温对00Crl2合金钢力学性能的影响 153
9.2.300 Crl2合金耐热钢的高温疲劳安全寿命估算 154
9.3 本章小结 158
参考文献 159
第10章 激光冲击对6061-T651中高温条件下表面完整性的研究 161
10.1 中高温条件下激光冲击对表面完整性的影响 161
10.1.1 中高温条件下材料和设备的选择 161
10.1.2 中高温条件下激光冲击参数的选择 162
10.1.3 中高温条件下表面完整性方案 163
10.2 激光冲击对铝合金表面形貌和粗糖度的影响 164
10.2.1 表面粗糙度的评定测量 164
10.2.2 激光冲击对铝合金表面粗糙度的影响 165
10.3 激光冲击诱导残余应力分布及其中高温条件下的松弛机制 167
10.3.1 激光冲击诱导残余应力的原理及其测定方法 167
10.3.2 激光冲击对铝合金残余应力分布的影响 168
10.3.3 铝合金残余应力松弛机制 171
10.4 激光冲击微观硬度及其中高温条件下的强化机制 173
10.4.1 不同温度条件下表面硬度分布 173
10.4.2 不同温度条件下深度方向上的硬度分布 174
10.4.3 中高温条件下的显微硬度强化机制 176
10.5 本章小结 178
参考文献 178
第11章 激光冲击对6061-T651中高温条件下微观组织的研究 180
11.1 中高温微观组织的成套测试设备 180
11.1.1 微观组织试样的制备 180
11.1.2 成套设备的组成 181
11.2 析出相大小变化及其分布特征 183
11.3 晶粒尺寸的变化 186
11.4 激光冲击位错组态的演变 189
11.5 本章小结 194
参考文献 194
索引 196

文 摘

　　第1章 激光冲击强化技术
　　在交变服役载荷与交变服役温度作用下，金属零部件经常因为局部疲劳裂纹、断裂而整体报废，甚至导致设备或装备的故障或事故。疲劳断裂是影响机械结构和装备安全性、可靠性的重要因素[1]，航空发动机部件高温疲劳断裂问题是研制和使用中的疑难问题。大量研究表明，金属构件的疲劳性能与其表面完整性密切相关，一般情况下，断裂往往是由于在交变载荷的作用下构件表面产生裂纹，逐渐扩展而导致整体的破坏。
　　为提高超常服役条件下结构的可靠性，延长使用寿命，在不改变基体材料性能的前提下，表面强化技术得到了国际上越来越多的研究，并提出了多种表面强化方法，得到了广泛的应用，取得了很好的效果和效益[2]。激光冲击强化技术因其具有强化效果佳、可控性强、适应性好等优点，得到了越来越广泛的关注和研究，已成功用于提高部件的疲劳强度，延长使用寿命[3，4]。
　　激光冲击强化(laser shock processing或laser shock peening，LSP)概念的出现可以追溯到20世纪60年代，但真正研究则是从70年代开始，而受到广泛重视和快速发展却是在90年代之后。激光冲击强化技术是一种新型的材料表面改性处理技术，作用于高功率激光与材料相互作用的物理过程，高功率密度(109W/cm2量级)、短脉冲宽度(10~30ns量级)的强激光通过透明约束层辐照材料表面，从而产生力学效应对材料表面进行处理。在激光冲击的过程中，材料待处理的表面覆盖一层吸收层，然后在其上覆盖一层透明约束层(如水、石英玻璃等)，其主要目的是提高材料对激光能量的吸收率并防止材料表面被激光烧蚀。材料表面所涂覆的能量吸收涂层吸收激光能量而迅速气化、电离，形成大量稠密的高温(>104K)、高压(>1GPa)等离子体，等离子体受后续激光辐射，迅速积累能量，引发膨胀爆炸，激光维持的等离子体爆轰波向材料内部传播，形成冲击波。如果冲击波的压力足够高，那么材料在短时间内以极高的应变率(可高达106/s)发生变形和动态屈服，产生冷塑性变形，形成残余应力场，同时伴随位错、孪晶等晶体缺陷的形成，改善材料的物理力学性能，如疲劳寿命、硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。当冲击波的峰值压力大于材料的动态屈服强度时，材料表层发生超高应变率的塑性变形，位错密度显著增大，表层材料晶粒细化，在表层产生了一定深度的高幅值残余压应力，形成强化区，从而提高材料的抗疲劳性能、耐磨性、抗断裂性等机械性能。在高温条件下，金属在变形过程中不仅形状发生了改变，而且还伴随着复杂的微观组织变化，如动态回复、动态再结晶等，其基本原理如图1-1所示。




　　图1-1 激光冲击强化技术原理图


　　激光冲击强化技术具有强化效果佳、可控性强、适应性好等优点，可成功用于提高部件的疲劳强度、消除焊接残余拉应力等方面，从而衍生出一种新的改性延寿技术——激光冲击改性和延寿技术。该延寿技术将现代物理学、化学、计算机学、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识进行综合运用，利用激光冲击使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工件表面性能的最佳结合，为解决整体强化和其他表面强化手段难以解决的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的影响，甚至将导致设计和制造工艺的某些根本性变革。
　　本章系统介绍激光冲击强化理论和技术，主要内容包括激光冲击强化的应用和发展趋势；激光诱导等离子体冲击波原理的分析；激光冲击强化的两种模型；激光冲击强化有限元分析的理论知识和基于微观组织理论的研究等。同时在后续章节中，将比较系统地介绍激光冲击强化对铝合金、耐热钢和镍基合金等金属在中高温服役环境下提高力学性能和疲劳寿命的研究及应用，并对研究结果进行阐述和总结。主要内容包括激光冲击对6061-T651铝合金中高温力学性能影响和强化机制研究；金属疲劳性能激光强化改性及其疲劳安全寿命优化研究；渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究和中高温服役环境下激光冲击镍基合金试验与机理研究等。通过这些具体的应用实例，充分反映出激光冲击强化这项新技术的先进性和实用性，是近几十年来迅速发展的材料表面新技术，也是材料科学的最新研究领域之一。


　　1.1 激光冲击强化技术的应用和发展趋势
　　激光冲击强化从20世纪90年代快速发展并得到广泛应用，可以说其发展史与航空发动机部件疲劳断裂密切相关。至2012年，国际上只有美国和中国实现了激光冲击强化规模化工程应用。
　　1.1.1 激光冲击强化技术的国内外应用
　　自20世纪70年代激光冲击强化技术用于材料表面改性以来，国内外许多学者都对其进行了广泛的研究。1972年，Fairand等在美国国家科学基金的资助下使用高功率脉冲激光诱导冲击波改变了7075铝合金的机械性能和显微组织结构，研究表明，合金的屈服强度提高了30%，从此揭开了激光冲击波强化材料的研究序幕。1978年，Fairand等又开展了激光冲击强化处理提高铁基合金和航空铝合金疲劳性能的研究[6]，研究结果表明，激光冲击强化降低了裂纹的扩展速度，大幅度提高了飞机紧固孔的疲劳寿命[6~8]。几十年来，国内外学者对激光冲击强化技术进行了大量的研究，主要分为3个方面。
　　(1) 激光物理的理论研究。解析激光冲击强化的物理过程，分析冲击波和材料相互作用的机理，建立激光诱导爆轰波的理论模型并进行有限元仿真等。
　　(2) 激光冲击强化机理研究。从表面粗糙度、硬度、残余应力和微观组织等角度研究激光冲击处理提高材料抗疲劳、耐腐蚀、抗摩擦磨损性能机制和冲击强化过程中能量吸收层和约束层的相关理论研究等。
　　(3) 工程应用研究。对激光器整套设备系统、激光冲击处理工艺参数优化、冲击区域质量控制技术、激光连续多点搭接冲击和冲击过程在线监控的研究等。
　　激光冲击强化在美国已经过四十多年的发展，技术趋于成熟。1979年，美国洛克希德-佐治亚公司的William开展了激光冲击处理7075-T6和7475-T73铝合金的研究。1995年，Jeff创立了全球第一家激光冲击强化技术公司(LSP Technologies Inc.)，利用其先进的激光冲击处理设备系统，向工业界提供激光冲击处理技术和加工服务。2004年美国颁布了激光冲击强化技术规范AMS2546。从事激光冲击研发和加工的企业主要有通用电气航空发动机公司(General Electric Aircraft Engines，GEAE)、激光冲击强化技术公司(LSP Technologies Inc.， LSPT)和金属强化公司(Metal Improvement Company，MIC)。激光冲击强化技术在航空航天、核工业、海洋船舶、石油化工、医疗等领域都具有巨大的应用前景。2002年，美国MIC公司将激光冲击强化技术用于F119叶片生产线，突破了传统喷丸不能强化部位的难题，提高了抗破坏能力，延长了使用寿命，显著提高了效率，带来了巨大的经济效益，从此激光冲击技术大规模应用于航空零部件的制造和修理当中。石油及天然气采油装置、管道焊接区也采用激光冲击强化技术，提高了管道的抗应力腐蚀疲劳寿命；钛合金微动疲劳性能较差，激光冲击可将钛合金的微动疲劳寿命提高10~25倍。
　　激光冲击强化研究在中国起步较晚，但发展迅速。该项技术涉及先进的军事应用领域，目前属于禁止向中国输出的敏感技术和产品。但国人自强不息、艰苦奋斗，已获得大量的成果，具备自主知识产权。目前从事激光冲击研究的单位有江苏大学、空军工程大学、北京航空制造工程研究所(625所)、南京航空航天大学、华东理工大学、中国科学技术大学、华中科技大学、航空材料研究院和成都飞机设计研究院等。经过二十多年的研究，在理论和试验研究方面取得了优异的成绩，为该技术工业化的实现奠定了良好的基础。1992年南京航空航天大学与中国科学技术大学合作，开展了航天结构抗疲劳断裂的激光冲击强化研究，对激光产生的冲击波及其对材料的强化机理和冲击区的表面质量等进行了大量的研究。1995年，华中科技大学的邹鸿承等用钇铝石榴石固体激光器对LY12CZ铝合金进行了多点钉合处理，使试样的表面硬度提高了5倍，硬化层深度为0.1~0.2mm。清华大学研究团队提出了激光冲击制备表面高性能纳米涂层的新工艺，将碳纳米管通过激光诱导的冲击波冷植入铝合金表层，该工艺结合激光冲击和纳米复合材料双重强化效果，为制备纳米复合涂层提供了新思路。江苏大学激光研究团队将激光冲击技术用于节能环保型球团链篦机关键制造技术，解决了长寿命问题，并获得2009年国家科技进步二等奖。西安天瑞达光电技术发展有限公司和陕西蓝鹰航空电器有限公司共同承建了中国第一条激光冲击强化生产线，该示范线可以实现复杂曲面(如叶片)双面激光冲击强化。
　　国内外的研究表明，激光冲击强化对各种铝合金、高温合金、钛合金、不锈钢等均有良好的强化效果[9-12]，因此激光冲击强化技术在航空航天、汽车工业、石油化工、核工业、海洋船舶和医疗工业等领域具有巨大的应用前景，甚至在某些场合有着不可替代的作用。但要使激光冲击强化技术在实际工程上得到广泛的应用，还必须从以下几点做更进一步的研究[5]。
　　(1) 高性能激光冲击强化装置的研制和开发。
　　(2) 激光冲击强化效果的无损检测手段。
　　(3) 能集涂层与约束涂层于一体的并适用于实际工程应用的柔性贴膜。
　　(4) 激光冲击强化工艺参数的制定和冲击强化效果的在线控制方法的完善。
　　1.1.2 激光冲击强化技术的发展趋势
　　1. 方形激光光斑
　　目前常用的激光光斑形状为圆形，然而圆形光斑残余应力空洞现象比较严重。美国的MIC公司已使用方形光斑进行激光冲击强化，方形光斑残余应力空洞现象很弱，且连续搭接冲击时，搭接平整、需要的最小搭接率小，提高了强化效率，获得的加工表面质量相对较好，图1-2为方形光斑用于激光强化飞机叶片。




　　图1-2 方形激光光斑应用于飞机叶片示意图


　　2. 可移动激光处理设备
　　国内激光冲击设备装置主要固定在实验室中，通过数控工作台的移动完成不同结构件部位的激光冲击强化，主要适用于试验研究。在工程应用方面，对于已经装备好的不方便拆卸的零件或者难以在工作台上装夹的大型设备件均不适用。为了扩大激光冲击强化的应用范围，可移动激光冲击处理系统必然会成为发展的主要趋势，配合柔性机器人系统、光纤激光器等技术，加工柔性化程度极高，不受场地、零件尺寸等因素的限制，可进行三维选区立体激光冲击强化。
　　3. 热激光冲击处理(warm laser shock processing)
　　热激光冲击强化是一项热-机械复合处理技术，整合了激光冲击强化和动态应变时效的优点。其主要技术特征是在激光冲击之前对材料进行预热处理，在合适的处理温度条件下(如钢材为150~300℃)，热激光冲击复合技术可以获得更高的残余压应力、硬度和晶粒细化程度，能更加显著地提高处理构件的疲劳寿命。
　　1.1.3 激光冲击数值模拟的发展
　　许多工程分析问题涉及过程通常用流体力学和弹塑性动力学模型来描述，根据情况采用一维或多维空间，综合化学反应方程、反应率方程、热传导方程和材料本构关系等，成为含有线性和非线性的偏微分方程、常微分方程、积分方程、泛函方程和代数方程的一个封闭方程组，根据具体情况有不同的初始条件和边界条件。这些方程只有在极其简单的情况下才可以得到一些解析解，一般只限于包含两个自变量的平面问题。这种方法在有限的情况下是可行的，但是过多的简化可能导致误差过大，甚至会产生错误的结果。随着科学和生产的发展，解析解已经远远不符合要求，人们把注意力转向数值解，因为数值解对控制方程的限制宽得多，可以得到更接近实际情况的解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助现代科学技术的产物——计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模拟技术。数值模拟是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。目前，爆炸冲击效应领域主要的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和有限体积法等。有限差分法和动力有限元法的发展已比较成熟，是目前冲击载荷作用下的动力结构响应数值计算中应用最多的两种方法。
　　由于数值模拟技术计算精度和可靠性高，其计算结果已成为各类工
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