喷丸、激光冲击和超声纳米晶表面改性对Inconel 718疲劳强度的影响（1）

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江苏激光联盟导读：
本文研究了工艺参数和各处理动能对镍基合金Inconel 718微观组织、机械性能和疲劳行为的影响。本文为第一部分。
摘要
由于工程部件中的大多数故障都是从表面层开始的，因此应用表面处理可以在控制材料性能和寿命方面发挥关键作用。在本研究中，考虑了不同的表面严重塑性变形技术，包括严重喷丸、激光冲击喷丸和超声波纳米晶表面改性。研究了工艺参数和各处理动能对镍基合金Inconel 718微观组织、机械性能和疲劳行为的影响。结果表明，使用合适的参数来提高表面处理的动能，可以有效地促进inconel718试样的表面晶粒细化，并在试样中产生较深的残余压应力场。在应用的处理方法中，超声纳米晶表面改性被认为是改善机械性能最有效的方法。
1.介绍
由于工程部件中的大多数机械故障，尤其是疲劳故障，都是从表面开始的，因此最近出现了多种表面严重塑性变形（SSPD）方法，如表面机械磨损处理（SMAT）、喷丸处理（SP）、超声波喷丸处理（USP），超声波纳米晶表面改性（UNSM）和激光冲击喷丸（LSP）已被提出，以提高机械部件的功能性和使用寿命。已知这些工艺通过三个主要因素改善金属材料的机械性能和疲劳行为：诱导晶粒细化，在塑性变形的顶面层内产生残余压应力，以及改变表面粗糙度。
在本研究中，我们选择了三种最有效的SSPD处理方法，即SP、UNSM和LSP工艺，以研究它们对Inconel 718微观结构和机械性能的影响。镍基超级合金，如Inconel 718 ，由于其卓越的机械性能、耐腐蚀性、焊接特性、良好的氧化性和高温下的高蠕变性能，被认为是腐蚀性环境中结构应用的关键解决方案。
图1描绘了所选技术及其对所处理材料表层的影响的示意图。 SP过程中，随机流动的小弹丸在压缩空气加速下轰击目标材料表面以达到控制速度(见图1a) 。在各种参数中， Almen强度和地表覆盖度是控制SP过程的最重要的参数。根据SP处理的总动能大小，可将该工艺分为常规喷丸(CSP)和剧烈喷丸(SSP)两大类。在SSP类中，与CSP相比，使用更高的Almen强度或覆盖水平来增加射击流的总动能。由于后一个因素， SSP导致显著的表面晶粒细化到纳米结构(NS) ，产生梯度结构。

图1 不同表面SPD处理和目标材料相应塑性变形顶面的示意图：（a）SP ，（b）UNSM和（c）LSP工艺。
在SSP处理过程中动能的增加也导致了更深的表面和深度的残余压应力。这些处理方法已应用于不同类别的材料，从而提高了机械性能。在CSP（Almen强度为14 A ，覆盖率为100%）和SSP（Almen强度为36 A ，覆盖率为2000%）后，收到的AISI 304钢的轴向疲劳极限分别从310 MPa提高到330 MPa和435 MPa；而表面粗糙度Ra = 0.8 μm时， CSP处理后为1.73 μm SSP处理后为2.8 μm 。同样的， X70微合金化钢的弯曲疲劳极限从385 MPa提高到440 MPa Almen强度为16 A ，覆盖度为1000% 。经SSP处理的纯Ti、AZ31和AZ91镁合金由于表面纳米化和高的残余压应力，耐磨性和耐蚀性也得到了显著提高。
LPBF制备的Ti–6Al–4V的表面形貌：（a）竣工和（b）采用飞秒激光微加工后的Ti–6Al–4V 。
激光微加工是一种常见的表面处理，采用广泛的波长、波形和脉冲持续时间。在飞秒激光微加工过程中，将激光束聚焦在材料表面，优化介质反射镜反射良好的激光波长，最大限度地降低了激光光束的能量损失。如上图a和b所示，飞秒激光微加工处理LPBF Ti-6Al-4V零件后，制备材料和处理材料的表面粗糙度从4.22 μ m下降到0.82 μ m 。
抛光被认为是将工件表面平滑到镜面光洁度的行为。许多研究报告使用机械抛光来改善AM金属材料的表面质量，特别是改善疲劳行为。机加工、抛光和竣工LPBF 316的线条轮廓之间的比较证实，与其他加工工艺相比，抛光可以更有效地降低粗糙度，最终提高疲劳寿命。

(a b) Ra≈40 μ m制备的PBF纯Cu样品和(c d)磁驱动磨料抛光Ra≈4 μ m后的PBF纯Cu样品的SEM和共聚焦显微镜图像。 HCAF对LPBF铝合金AlSi10Mg表面粗糙度降低的影响:(b)制备时的表面粗糙度;UCAF对LPBF Inconel 625表面形貌的影响:(d)竣工， (e)采用HCAF后。

喷丸、激光冲击和超声纳米晶表面改性对Inconel 718疲劳强度的影响（1）

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