高溫合金激光沖擊殘余應(yīng)力場中高溫釋放試驗與有限元分析.pdf

1、高溫合金主要用于航空發(fā)動機的熱端部件，工作環(huán)境復(fù)雜，既承受高溫又承受交變載荷作用，破壞一般發(fā)生在表面微裂紋處。激光沖擊強化處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力可以提高材料表面疲勞強度和疲勞壽命，抑制裂紋形成與擴展，但在中高溫服役環(huán)境下材料表面殘余壓應(yīng)力會釋放，導(dǎo)致激光沖擊強化效果減弱。因此，研究激光沖擊強化處理對高溫合金熱穩(wěn)定性很有必要。本文利用有限元模擬與試驗研究相結(jié)合的方法，對激光沖擊強化鎳基高溫合金殘余應(yīng)力熱釋放過程進行了研究，主要研究內(nèi)容與成果

2、如下:
　　(1)運用有限元分析軟件ANSYS/LS DYNA建立了激光沖擊強化鎳基高溫合金的有限元模型，模擬得到了穩(wěn)定的殘余應(yīng)力場。
　　(2)運用有限元模擬方法研究了激光沖擊強化GH4169鎳基高溫合金殘余應(yīng)力在500℃、600℃、700℃環(huán)境下變化規(guī)律，主要討論了溫度和保溫時間對殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明:對于鎳基高溫合金GH4169，在選定溫度下，殘余壓應(yīng)力會釋放，且釋放速率在最初1h內(nèi)較大，在25℃～600℃范圍內(nèi)，

3、釋放速率隨溫度的升高而增大，溫度超過600℃以后，釋放速率減小并逐漸趨于穩(wěn)定。在700℃，GH4169中仍存在一定的殘余壓應(yīng)力，表明激光沖擊還保持一定強化效果。分析結(jié)果表明，溫度對殘余應(yīng)力的影響要比保溫時間對殘余應(yīng)力的釋放影響顯著。由再結(jié)晶和位錯攀移導(dǎo)致位錯消失的類似蠕變機理是GH4169鎳基高溫合金殘余應(yīng)力釋放的主要機制。當鎳基高溫合金GH4169殘余應(yīng)力值下降到低于選定溫度下其蠕變強度時，應(yīng)力釋放的驅(qū)動力減小，釋放減弱甚至停止。

4、r>　　(3)綜合運用數(shù)值模擬和試驗相結(jié)合的方法，研究了200℃～700℃溫度范圍內(nèi)熱處理對激光沖擊強化后K417鎳基高溫合金殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，并對K417高溫合金的硬度和顯微組織熱穩(wěn)定性進行了分析研究。結(jié)果表明:試驗測量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)有著較好的一致性。應(yīng)力釋放速率在最初30min內(nèi)較大，釋放速率隨溫度升高而逐漸加大，但在700℃仍存在一定的殘余壓應(yīng)力，保溫60min后材料殘余應(yīng)力場分布更加均勻。試樣在600℃保溫10h后，硬度部分下

5、降，但應(yīng)力層硬度仍高于未經(jīng)激光沖擊處理的試樣，強化效果仍較明顯。常溫下激光沖擊強化試樣硬度增大的主要原因是晶粒細化和位錯密度增大，而高溫下硬度下降的主要原因是位錯攀移、位錯密度減小和晶粒再結(jié)晶。經(jīng)激光沖擊強化后，K417高溫合金表面層位錯密度增加，表面能增加。對激光沖擊強化單晶鎳基高溫合金在650℃進行退火處理，未見顯微組織發(fā)生明顯變化，說明激光沖擊強化處理后顯微組織熱穩(wěn)定性較好。高密度位錯和較低的冷作硬化率的共同作用提高了激光沖擊強化