接触膜对激光冲击波碾压LY2铝合金表面完整性的影响研究

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鉴于航空发动机压气机叶片中表面形貌控制难题,本文提出了激光冲击波“碾压”技术(Laser shock wave planishing,LSWP)。该技术源于激光冲击技术,在吸收层和工件之间添加了一层高强度、高弹性接触膜,接触膜的光滑底面紧密贴合在工件表层。在高压冲击波作用下,工件表层的微峰谷被接触膜碾平且伴随塑性变形的发生,从而实现光整和强化于一体的效果。本文以LY2硬铝合金为研究对象,探究了LSWP技术中接触膜材质对表面微特征变形规律的影响以及接触膜厚度对铣削试样的表面完整性影响。研究成果如下:(1)利用ABAQUS模拟了四种不同接触膜材质LSWP作用下表面微特征的变形规律,发现接触膜密度越小,对表面微凸峰的碾平效果越好。接触膜强度越高,对微谷底的抬升效果越好。高弹性模量的接触膜也有利于微凹谷的隆起。(2)采用皮秒激光器在LY2铝合金试样表面加工出与模拟相同的微特征。分析了在四种接触膜材质LSWP处理后的微特征的二维截面变化,结果表明微特征顶部均被镦粗变形,呈平顶形状,但微特征底部变化情况却不同,采用高强度接触膜时,微凹谷隆起,而采用低强度接触膜,微凹谷下沉。实验结果与模拟结果具有一致性。(3)综合研究了接触膜厚度和表面粗糙度对LSWP技术处理数控铣削表面的影响规律。结果表明LSWP技术能高效去除铣刀痕,且刀痕的去除率与接触膜厚度相关,接触膜越薄,刀痕去除率越高。但接触膜并非越薄越好,对于粗糙度较小的铣削表面,使用薄的接触膜会引起工件表面产生“塌陷”,表面轮廓遭到破坏。因此,每一种粗糙度的铣削表面对应着合适的接触膜厚度,既能使表面粗糙度下降到最小,又能维持面型精度;在多次LSWP处理中发现当铣削表面的粗糙度与接触膜厚度匹配时,铣削表面的粗糙度随着LSWP次数增加不断减小;否则,其表面粗糙度增加。在搭接LSWP处理中发现若接触膜厚度合适,光斑边界效应将受到抑制。此外,表层的微峰谷相互挤压使得工件表面获得了残余应力,同时由于形变硬化,显微硬度也有所上升。
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