滚压处置对工业纯钛组织性能和残余应力场影响

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1、滚压处置对工业纯钛组织性能和残余应力场影响第1章绪论1.1课题背景及研究意义随着社会经济的不断发展，人们的生活水平也在不断的提高。人类对能源和材料需求的增加对机械工业也提出了更高的要求。人类文明的发展史从机械工业领域来看也是机械工作温度不断升高的历史。在能源行业，为了提高燃煤发电设备的发电效率，材料使用温度已经达到的高温超超临界状态。在发展超超临界电站的过程中，研制具有更高高温强度的材料己成为实现机组可靠运行的关键。汽轮机是电力行业最广泛使用的能量转化设备，而叶片则是汽轮机一个重要组成部分。上世纪九十年代以前，我国汽轮机叶片的事

2、故率最高达11%，在汽轮机发生的事故中，由于叶片失效而导致的事故约占40%左右,因此，保证叶片的安全运行对提高汽轮机运行的可靠性有着重大的意义。燃气-蒸汽联合循环发电系统中的燃气轮机结构复杂，燃烧室、导向叶片、祸轮动叶片以及祸轮盘等构件都在高温高压情况下工作[2]。在航空领域，航空发动机的性能不断提高，这就使得发动机的祸轮、汽祸轮机和叶片等构件的运行环境更加恶劣[3][4]。这样荀刻的环境导致了许多构件使用寿命的降低。解决高温构件寿命问题最简单直接的方法是釆用可靠性更好、强度更高的材料，但从经济性的角度来讲这并不是最优的方法。承

3、受载荷的零件表面常处于最大应力状态，零件的失效和破坏也大多发生在表面或从表面开始，如果能够改善零件材料的表层组织结构，在表层引入一定的残余压应力，增加表面硬度等，就能显著地提高零件的疲劳强度和耐磨性等。因此最合理的做法是在保证整体构件强度的基础上，尽可能的提髙材料表面抵抗破坏的能力。目前常用的方法是对结构表面进行机械强化处理，改善构件表面的机械性能，从而提高构件的使用寿命[5]。.1.2表面机械强化处理原理及其应用喷丸处理始于上个世纪30年代，喷丸处理过程中弹丸以极快的速度喷射到构件表面，使构件表层发生强烈的塑性变形，从而改善构

4、件表面机械性能，如图1.1所示。由于喷丸处理具有上述优点，因此自上个世纪40年代开始，喷丸处理开始应用在汽车工业和飞机制造领域中。但由于喷丸处理会增大构件表面的粗糙度，在外加载荷的作用下，粗糖的表面将加速裂纹的形核，这将会降低构件的疲劳寿命[18]。喷丸处理成本较低而且效果显著，该工艺目前也有了一些新的发展，如了利用微粒冲击和微粒镶嵌镀膜提高材料的耐磨性能、通过高能和超声喷丸实现金属表面纳米化等[19]。激光冲击强化技术的研发始于20世纪70年代，激光冲击处理是利用强脉冲激光产生冲击波来对材料进行强化，使材料表面产生高密度的位错

5、，并在材料表层产生残余压应力，从而提高材料表面的机械性能，如图1.2所示。与传统的喷丸加工相比，激光冲击强化具有更高的应变率，因此材料表面产生的残余压应力极值更大、深度更深，表面粗糖度也要优于喷丸处理。试样经过激光冲击处理后疲劳寿命提高比经过喷丸处理更加明显。20世纪90年代，在美国高频疲劳研宄国家计划支持下，美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研宄，使激光冲击强化技术获得了很大发展，并逐步走向了实用，并在1994年用于F110、FIOI、F414等发动机的生产和修理[24

6、]。该技术在核电、航空、航天、船舶、汽车及机械制造等工业领域都有着广阔的应用前景。..第2章材料与实验方法2.1实验材料本次实验材料为6tinn的工业纯钛板材，一般纯金属的强度都较低，但工业纯铁最高抗拉强度可以达到550MPa，而且具有优良的冲压性能，机械加工性能良好，纯钛的傳缝强度可以达到基体的90%。因此主要用于制造工作的石油化工用热交换器、反应器、船舰零件、飞机蒙皮等，工业纯钛板材的化学成分如表2.1所示。为了对比滚压处理前后、高温环境保温前后工业纯钛组织和性能的变化，就需要对材料的组织和性能进行相关的测试，这些测试包括纯

7、钦的金相组织观察，滚压处理材料的显微硬度、拉伸强度以及残余应力等的测定。表面滚压处理会使材料表层的组织发生变化，为了观察滚压纯铁组织形貌的变化，采用倒置氏蔡司光学显微镜对滚压纯铁截面组织形貌进行观察。金相实验试样尺寸为10x10x6mm，取样位置如图2.5所示。通过镶嵌、打磨、电解抛光和腐烛这几个步骤制作成金相实验试样。金相实验所用的电解抛光液由5%高氯酸+95%冰乙酸配置而成，电压为30V，时间60s。金相腐烛液为氢氟酸、硝酸和水的溶液，其比例为1:2:17。..2.2实验方法本课题旨在澄清以滚压处理为代表的表面改性方式对工业

8、纯钛组织、机械性能及残余应力场的影响机理，并对不同温度环境下滚压残余应力的释放机制进行初步探讨。实验环节由三个部分分成：（1)研宄不同工艺参数下表面滚压处理对材料组织、机械性能的影响；（2)讨论髙温环境下滚压纯钛组织和性能的稳定性；（3)对滚压残余应力进行测试分