激光沖擊強化對奧氏體不銹鋼熔覆層-焊接區(qū)機械性能和組織的影響及缺陷檢測.pdf

1、航空關(guān)鍵件發(fā)生局部損傷或失效后，其他部分往往還有很大的承載能力，采用先進的表面技術(shù)修復(fù)損傷關(guān)鍵件，延長損傷關(guān)鍵件服役壽命及提高其可靠性，已經(jīng)成為機械構(gòu)件再制造工程中的核心科學(xué)問題之一。激光沖擊強化是一種新型的材料表面強化技術(shù)，具有超高壓、高能量、超快速和超高應(yīng)變率等特點，具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu)點及顯著的技術(shù)優(yōu)勢，能夠消除金屬零部件熱效應(yīng)修復(fù)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力并且細化表層原始粗晶，從而提高損傷零部件的機械性能和服役壽命。目前激光沖擊強

2、化對熔覆層及焊接區(qū)的機械性能和微觀組織分布規(guī)律的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究，同時“中國制造2025”也將激光技術(shù)列為“前沿技術(shù)”而重點發(fā)展。因此，在再制造領(lǐng)域內(nèi)開展損傷零部件激光沖擊強化技術(shù)研究具有巨大的工程應(yīng)用前景和重要的學(xué)術(shù)價值。
　　針對上述問題，本文以316L不銹鋼熔覆層和焊接件為研究對象，使用超聲檢測技術(shù)對熔覆層缺陷進行了識別，探索了熔覆層化學(xué)成分對缺陷成因的影響；對大面積激光沖擊前后熔覆層及焊接件的顯微硬度、殘余應(yīng)力及微觀組

3、織分布規(guī)律進行了研究，表征和分析了激光沖擊波對熔覆層及焊接件的微觀結(jié)構(gòu)演化過程。獲得了如下結(jié)論和進展：
　　(1)建立三種典型的熔覆層缺陷(氣孔、微裂紋及縮松)和超聲回波波形之間的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)缺陷部位的化學(xué)成分含量分析熔覆層不同缺陷的成因：
　　在無缺陷熔覆層中超聲回波呈指數(shù)形式衰減，且相鄰回波波峰之間的距離相等；氣孔缺陷的超聲回波第一回波的波峰比無缺陷回波的波峰尖銳且幅值比標準幅值高，第二與第三回波幅值衰減迅速，且第三

4、回波波根處與橫波反射回波的波根發(fā)生重疊；微裂紋缺陷的超聲回波第一回波的幅值低，第二和第三回波的幅值迅速降低且幅值基本相同；縮松缺陷超聲回波波形整體類似于無缺陷熔覆層的超聲波形，都呈近指數(shù)衰減，唯一的不同之處在于縮松缺陷處超聲回波的幅值總體低于無缺陷熔覆層的超聲回波幅值；此外，大量C元素的存在會導(dǎo)致熔覆層中產(chǎn)生氣孔，大量的Si元素的存在導(dǎo)致熔覆層在凝固過程中產(chǎn)生偏析作用，從而促使裂紋萌生及擴展，縮松區(qū)域的化學(xué)成分與無缺陷區(qū)域基本相同。該部

5、分研究成果已發(fā)表在國際知名期刊Lasers in Engineering上。
　　(2)研究大面積激光沖擊對316L不銹鋼熔覆層不同區(qū)域顯微硬度、殘余應(yīng)力及微觀組織的影響，重點表征和分析激光沖擊前后熔覆層頂部及兩側(cè)結(jié)合區(qū)的微觀組織及性能變化，獲得了激光沖擊強化對熔覆層微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律：
　　大面積激光沖擊能有效提高熔覆層近表層的顯微硬度，并消除近表層的殘余拉應(yīng)力；經(jīng)大面積激光沖擊后熔覆層截面硬度呈階梯狀分布，近表層及過渡區(qū)

6、域硬度值分別提高了62.9％和31.3%。經(jīng)大面積激光沖擊強化后，熔覆層不同區(qū)域的硬度值與晶粒尺寸分布存在一定的關(guān)系(晶粒越細硬度越高)；熔覆層兩側(cè)與基材結(jié)合區(qū)域的針狀晶受到超高壓的沖擊波的影響而被細化為細胞狀晶粒，從而有效提高了兩側(cè)結(jié)合區(qū)域的結(jié)合強度，熔覆層頂層的柱狀晶被細化為等軸晶；大面積激光沖擊強化能有效降低熔覆層中的孔隙率，使得熔覆層組織分布更加緊密，從而有效減少熔覆過程中熔覆層因溫度分布不均、熔覆材料成分差異等問題而導(dǎo)致的微縮

7、孔等微觀缺陷；大面積激光沖擊強化后316L不銹鋼激光熔覆層及基材近表層會產(chǎn)生大量的塑性變形。該部分研究成果已發(fā)表在國際知名期刊Journal of Alloys and Compounds上。
　　(3)研究大面積激光沖擊強化前后316L不銹鋼焊縫及其附近基材區(qū)域的殘余應(yīng)力及顯微硬度分布，揭示大面積激光沖擊過程中不銹鋼焊縫區(qū)域的晶粒細化機制：
　　大面積激光沖擊強化可有效消除焊縫表面的殘余拉應(yīng)力，并提高其表面顯微硬度，但是對

8、熱影響區(qū)顯微硬度的影響較??；大面積激光沖擊強化可將焊縫表層的柱狀晶細化為等軸晶，且基材表層的晶粒也得到明顯細化；大面積激光沖擊強化后焊縫區(qū)域產(chǎn)生大量塑性變形(位錯、形變孿晶和堆垛層錯)，基材區(qū)域產(chǎn)生機械孿晶和片狀孿晶；在原始晶界和孿晶界處位錯運動會受到晶界阻礙而形成位錯塞積；大面積激光沖擊強化后激光焊縫區(qū)域晶粒的細化是受到形變孿晶和高密度位錯共同作用使得原始粗晶的晶界被位錯線和形變孿晶撕裂從而形成新的晶界所致，此外，粗晶內(nèi)部的高密度的位

9、錯纏結(jié)及位錯墻會形成亞晶界，在高壓沖擊波作用下會產(chǎn)生持續(xù)的動態(tài)再結(jié)晶，并導(dǎo)致晶粒取向差逐步增大，從而使得晶粒內(nèi)部產(chǎn)生大角度細晶。該部分研究成果已投稿國際知名期刊Materials Science and Engineering:A。
　　綜上所述，本文研究為實際應(yīng)用中如何快速準確的檢測熔覆層中的典型缺陷提供了一種新方法，為深入了解激光沖擊強化對316L不銹鋼熔覆層不同區(qū)域的力學(xué)性能及熔覆層缺陷的改善情況提供了參考，為系統(tǒng)揭示激光沖