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熔覆

激光复合处理K24超合金表面残余应力

激光制造网 来源:上海霆钢金属集团有限公司2022-08-10 我要评论(0 )   

K24合金是研制的一种新型的铸造镍基高温合金, 应用于新一代战斗机发动机喷管等重要的热端部件。 激光冲击强化技术(LSP: laser shock process...

K24合金是研制的一种新型的铸造镍基高温合金, 应用于新一代战斗机发动机喷管等重要的热端部件。 激光冲击强化技术(LSP: laser shock processing)是利用高功率密度(GW/cm2)、 短脉冲(ns量级)激光束照射金属时产生高强度冲击波在金属材料或零件表层形成数百个MPa的残余压应力, 从而改善金属材料性能的一项新技术, 目前已被广泛应用于材料表面改性的研究中。 激光淬火是以高能量的激光束快速扫描金属工件, 使被照射的金属或合金表面温度以极快速度升高到相变点而低于融化温度, 当激光束离开被照射部位时, 由于热传导的作用, 处于冷态的基体使其迅速冷却而进行自动淬火, 它可以有效提高金属材料或零件的表面硬度、耐磨性、 耐蚀性以及强度和耐高温特性。

基于强化目的, 本文利用激光淬火与激光冲击强化技术对K24超合金表面进行了复合处理,并用X-350 A型X射线应力仪测定了激光冲击处理熔敷区后的残余应力, 同时分析了激光冲击前后熔敷区在500℃回火处理8、 16 h工艺后的残余应力变化规律, 研究了残余应力对K24超合金疲劳寿命的影响,给以后的研究工作提供了试验和理论依据。

试样材料
试样材料为K24超合金, 其主要成分的质量分数如表1所示。 另外, 该合金中还有大量的金属间化合物与碳化物(如TiC)作为强化相, 还有氮化夹杂物存在。 由于这些特殊的金相结构,K24具有非常优异的高温综合性能, K24的力学性能如下: 抗拉强度or≥830 MPa; 伸长率艿≥5%; 断面收缩率9≥7%; 硬度HRC为48~55;975℃ 、 196 MPa持久时间£ ≥40 h。 试样尺寸为30 mm× 20 mmX2 mm。 激光冲击时采用K9光学玻璃为约束层, 用86-1型黑色涂料作为激光能量吸收层。

试验装置及参数选择
使用强激光实验室的快速轴流C02多功能激光器对K24超合金试样进行激光淬火,激光淬火的参数均为: 功率1000 W, 扫描速度6mm/s, 光斑尺寸拳3 mm。 激光冲击强化处理试验在该实验室的重复率钕玻璃高功率激光冲击强化装置上进行, 其工艺参数如表2所示。

验证方法
用快速轴流CO: 多功能激光器对K24超合金进行激光淬火处理, 然后对淬火区域进行激光冲击强化处理, 并用X-350 A型X射线应力仪沿z方向(水平方向)测量了14个点, 两点之间间隔为0.4mm(女II图1所示), 测定了激光冲击处理熔敷区后的残余应力, 同时也测定了激光冲击前后熔敷区在500℃回火处理8、 16h工艺后的残余应力变化。

余应力测试结果
利用X350A型X射线应力仪对试样进行了X射线衍射分析, 其X射线发射管管电压22 kV,管电流6 mA, 铬靶K特征辐射, 准直管直径, 12mm, 20扫描步进角0. 1。 , 时间常数1 S, 扫描起始角及终止角分别为125。 和133。 , 侧倾角缈分别取0。 、 45。 和90。 。 对于铬靶K。 特征辐射, K24为(222)晶面, X射线吸收系数取一2.5× 105m~, 图2为激光冲击熔敷区域某点在侧倾角为0°时的残余应力测试结果。

K24超合金广泛用在高温(600-1200℃)和复杂应力条件下长期工作的关键部件。 测试时应考虑冲击表面在激光光束扫描方向和与之垂直方向上所受到基材约束状态的不同。 在测量试样表面残余应力时分别测出侧倾角为0.,45 和90。 三
多个方向的应力值, 由应力合成公式可以计算出主应力


图3为K24激光淬火与激光冲击处理及回火处理后的残余应力分布。 由于X射线对金属的穿透深度大约为20 p. m, 所以试验中测出的应力值是在20肛m层内的平均应力值。 从试验结果(见图3(a))可知, K24经激光淬火后, 在冲击区域、 影响区域、 未冲击区域的残余应力以及经激光冲击处理、 经激光冲击回火处理后的残余应力如表3所示。

由图3(b)可知, K24经激光淬火后, 在冲击区域、 影响区域、 未冲击区域的残余应力以及经高温回火处理、 经激光冲击回火处理后的残余应力如表4所示。

试验结果分析与讨论

表面残余应力状态对材料的疲劳抗力有显著影响。 残余应力在疲劳载荷中起着平均应力的等效作用, 残余压应力相当于负平均应力, 它提高疲劳强度。 残余拉应力相当于正平均应力, 它降低疲劳强度, 对裂纹长度已经超过阈值的已损伤叶片, 可以先采用激光淬火、 激光焊接等修补方式, 然后对修补区进行激光冲击处理, 由于冲击区材料的反作用, 将在冲击区产生残余压应力。残余压应力可以降低交变载荷中的拉应力水平,使平均应力水平下降, 从而延缓了疲劳裂纹的萌生寿命。 同时由于残余压应力的存在, 可引起裂纹的闭合效应, 导致疲劳裂纹扩展的有效驱动力降低, 因而延长了疲劳裂纹的扩展寿命。

激光淬火后再用激光冲击的复合处理技术与单纯激光淬火相比有本质的不同, 主要体现在以下几个方面。
(1)作用机制不同: 激光淬火后再用激光冲击强化是利用激光冲击波的力学效应, 在金属表面形成高幅值残余压应力, 从而有效增加疲劳寿命。而激光淬火和焊接是热效应。
(2)残余应力性质不同: 激光淬火+激光冲击强化形成高幅值表面残余压应力, 十分有效地延缓了裂纹的扩展速度, 激光冲击损伤的飞机叶片,材料为Ti6A14V, 叶片进气边有宽为0. 2 mm、 长为0. 9 mm的裂纹。 由于损伤后叶片的疲劳强度下降了40%, 所以裂纹的长度随着循环的次数增加呈指数关系急剧增长, 很快就断裂。 但经过激光冲击后, 裂纹长度几乎不随循环次数的增加而增加, 从而极大地延长了疲劳寿命。 激光淬火和焊接由于热效应产生残余拉应力, 必须有随后的工序消除残余拉应力, 否则疲劳寿命会急剧下降, 这增添了工序和成本。
(3)环保性优异: 激光复合处理技术简单快捷, 不需要添加任何辅助金属材料。 即使对易氧化的钛合金, 激光复合处理技术也不需要在密封的充满惰性气体的环境中进行, 效率高。 该技术避免了采用回炉、 冶炼等回收方式时对环境的二次污染, 其加工是从已成形的金属零部件开始, 从而大大减少了零部件初始制造过程对环境的污染和危害。

结 论
(1)K24超合金经激光淬火后再用激光冲击的复合处理后, 可以明显改善处理区域的残余应力, 有利于提高金属的表面硬度、 抗磨、 抗腐蚀等机械性能。
(2)复合处理对提高K24超合金机械性能效果十分明显, 其表面残余应力均表现为压应力, 可以对K24超合金直接修复和再制造, 节约了直接制造的成本并减少了人维护人工费用, 具有巨大、 潜在的经济效益和社会效益。


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