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提高增材制造金屬疲勞強度的噴丸強化、空化沖擊強化和浸沒式激光沖擊強化的比較

發(fā)布時間:2020.08.18    點擊數(shù): 62497

       增材制造AM金屬因直接根據(jù)CAD數(shù)據(jù)和其他優(yōu)點成型,從而成為用于醫(yī)療植入物和航空部件的極具吸引力的材料。然而,AM金屬的疲勞強度明顯低于塊體金屬。因此,需要提高AM金屬疲勞強度的增強技術。改進金屬材料的常見方法是拋噴丸強化,并且拋噴丸強化對AM金屬的增強作用已經證明。另一方面,世界上已經提出了諸如使用空化射流和浸沒式脈沖激光的空化沖擊強化之類的新穎方法。

飛機部件數(shù)控噴丸強化設備

      在空化沖擊強化的情況下,采用空化氣泡沖擊來引入無彈丸的塑性變形坑,不需要在噴丸強化處理后進行化學清潔。此外,由于使用了氣泡破裂塌陷引起的沖擊波,因此空化氣泡沖擊會對AM金屬表面上未熔化顆粒底部的狹窄區(qū)域進行強化處理。近年來,對采用空化沖擊強化、水沖擊強化、噴丸強化和和浸沒式激光沖擊強化提高SUS316L不銹鋼疲勞強度的作用進行了研究,結果表明,采用空化沖擊強化最能提高疲勞強度,其它依次是噴丸強化、激光沖擊強化和水沖擊化。

      請注意,通過與日本東北大學和波音公司合作,提出了一種結合使用空化射流和磨料提高AM金屬疲勞強度的新穎機械表面改性方法。

人體植入物數(shù)控噴丸機

材料和方法

       所用材料為Ti6Al4V鈦合金,并且試樣采用電子束熔煉(EBM)制備。EBM的平均粒徑約為75μm。電子束的光斑尺寸為0.2mm,堆積間距為90μm。試樣在真空條件下以1208K熱處理105分鐘,然后在氬氣中冷卻。然后在真空條件下以978K老化2小時,然后在氬氣中冷卻。采用使用空化射流的空化沖擊強化、浸沒式激光沖擊強化和拋噴丸強化對疲勞試樣進行處理。采用每種強化方法時,考慮前文[3]選擇執(zhí)行每種強化的條件。

        在空化沖擊強化的情況下,采用空化射流。射流壓力為30Mpa,噴嘴喉徑為2mm,上游角距試樣表面222mm,單位長度加工時間為10s/mm。在浸沒式激光沖擊強化的情況下,采用配備Q開關的Nd:YAG激光器。激光的最大能量和脈寬分別為0.35J和6ns。使用的波長為基波,即1064nm,作為激光燒蝕后所形成氣泡塌陷的沖擊[3]。請注意,氣泡塌陷所引起的沖擊大于激光燒蝕,單位面積脈沖密度為5脈沖/mm2。在噴丸強化的情況下,通過噴水加速的再循環(huán)彈丸沖擊處理試樣。噴水壓力為12Mpa,單位長度加工時間為1s/mm。采用常規(guī)的Schenk型位移控制平面彎曲疲勞測試儀在R=-1的條件下對經強化處理和未經強化處理的試樣進行測試。

表1試樣的表面特性

采用電子束熔煉制造的試樣方面

        圖1顯示了通過三維堆疊技術在激光顯微鏡下觀察到的未經強化處理、經過噴強化處理、空化沖擊強化處理和浸沒式激光沖擊強化處理的試樣方面。在圖1中,藍色表示峰谷,紅色表示顆粒頂部。表1顯示了粗糙度Rz和斜度Rsk的最大高度,以顯示試樣的表面特征。如圖1(a)所示,在表面觀察到許多未熔化的顆粒。表面經噴丸強化處理后,顆粒變形如圖1(b)所示,Rsk為負值。然而,觀察到深谷,這些都不能通過噴丸強化處理去除。另一方面,對于采用空化沖擊強化和浸沒式激光沖擊強化處理的表面,仍觀察到未熔化的顆粒;也就是說,經過噴丸處理的表面幾乎沒有變化。在空化沖擊強化的情況下,Rz略有下降;然而,隨著激光脈沖系統(tǒng)地產生塑性變形坑,浸沒式激光沖擊強化的Rz大于未經噴丸處理的Rz,由此連續(xù)脈沖形成了波峰。

2:通過機械表面處理提高采用EBM制備的Ti6Al4V的疲勞強度

 

采用強化方法提高采用EBM制備的試樣的疲勞強度

       圖2顯示了未經強化處理、經過噴丸強化處理、空化沖擊強化處理和浸沒式激光沖擊強化處理的試樣的平面彎曲疲勞實驗結果[5]。由于試樣表面相當粗糙,如圖1和表1所示,考慮采用Rz來計算最大彎曲應力。在圖2(a)中,使用圖3中所示的厚度δ1計算最大彎曲應力。然而,圖3中Rz所示的層是一種不受支撐的層。

        因此,在圖2(b)中使用了δ2=δ1-2×Rz。在圖2(a)中,隨著未熔化顆粒的頂部變形,采用噴丸強化處理提高的疲勞強度最大。使用利特爾方法計算107的疲勞強度時[7],未經噴丸處理的樣品的疲勞強度為169±8MPa。請注意:使用Ti6Al4V經過熱處理制成的塊體材料的107的疲勞強度為545±10MPa[8];采用EBM制備的Ti6Al4V鈦合金的疲勞強度明顯小于塊體材料。采用EBM制備的Ti6Al4V鈦合金經噴丸處理后,其疲勞強度分別為335±6MPa(對于噴丸強化處理)、296±8MPa(對于空化沖擊強化處理)和317±4MPa(對于浸沒式激光沖擊強化處理)。與未經強化處理相比,經過強化處理后得到明顯改善;但與塊體材料相比,疲勞強度仍然較低。如上所述,在考慮表面粗糙度的情況下,重新計算了最大彎曲應力。S-N曲線如圖2(b)所示。使用圖2(b)中所示的數(shù)據(jù)計算的疲勞強度分別為221±11MPa(對于未經強化處理)、371±7MPa((對于噴丸強化處理))、406±11MPa(對于空化沖擊強化處理)以及450±3MPa(對于浸沒式激光沖擊強化處理)。換言之,經過浸沒式激光沖擊強化處理,疲勞強度比未經過強化處理提高了約2倍,約占塊體材料的80%。

圖3:用于計算彎曲應力的試樣厚度示意圖.

結語

       為了證明采用電子束熔煉EBM制備的Ti6Al4V鈦合金通過機械表面處理提高了AM金屬材料的疲勞強度,對鈦合金進行了噴丸強化、空化沖擊強化和浸沒式激光沖擊強化處理,并進行了位移控制疲勞試驗。結果表明,在考慮表面粗糙度的情況下,采用浸沒式激光沖擊強化處理提高的107的疲勞強度是未經強化處理的樣品的兩倍。

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