一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法 |
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| 申请号 | CN202210773729.7 | 申请日 | 2022-07-01 | 公开(公告)号 | CN115169036A | 公开(公告)日 | 2022-10-11 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 卢国鑫; 钟锦岩; 郑超; 罗学昆; 王强; 陆峰; 李松梅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于应 力 波型的复合表面强化工艺的确定方法，该确定方法本发明先通过数值模拟等方式定性判断表面强化方法 应力 波波型，再确定不同表面强化方法的复合顺序，随后再利用实际试验定量确定复合表面强化工艺参数，最终实现高残余压应力场强度的复合表面强化工艺条件的确定。本发明给出一个预先工艺设定依据，有助于技术人员预先判断现有的单次处理工艺能否通过复合而获得最大的残余压应力场强度，以及若要获得最大的残余压应力场强度，如何对现有的单次处理工艺进行工艺调整。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法技术领域背景技术[0002] 喷丸、碾压、冲击等形式的表面强化工艺通过引入材料内部残余压应力等作用使得材料表面完整性参数发生积极演变，而实现材料或构件的疲劳延寿等服役性能提升目标。然而，随着工业场景对高残余压应力场引入强度的要求不断提高，单一表面强化工艺在高强度强化要求上的作用效果显露出局限性。采用不同技术优势的不同工艺进行复合处理成为高强度强化的重要且有效途径。在复合表面强化工艺的实施过程中，根据高强度强化要求而选择不同强化工艺的顺序及参数直接决定了复合表面强化工艺的实际作用和具体价值。进而，如何预先确定复合顺序以及不同工艺具体参数成为技术人员需要解决的问题。 [0003] 在常规复合表面强化工艺过程中，两种或多种强化方式的复合强化效果需根据大量的组合试验来分析，进而可预期获得具有最优强化效果的不同表面强化方法的复合方式。目前，有研究人员采用数值模拟等方式开展更经济和更高效的复合强化工艺确定研究，但复合强化实际效果与表面强化方式引入材料表层的残余应力层深以及表面残余应力强度直接相关，而数值模拟无法真正实现与材料表面残余应力场分布状态的定量吻合。 发明内容[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，本发明先通过数值模拟等方式定性判断表面强化方法应力波波型，再确定不同表面强化方法的复合顺序，随后再利用实际试验定量确定复合表面强化工艺参数，最终实现高残余压应力场强度的复合表面强化工艺条件的确定。 [0005] 本发明的技术方案为： [0006] 一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，包括： [0007] (1)确定复合表面强化过程拟采用的表面强化工艺的种类，初步拟定在复合表面强化过程中表面强化工艺条件；根据实际加工需求以及设备条件，初步拟定所采用的不同或相同种类表面强化工艺在复合过程中的具体工艺参数。 [0008] (2)对材料的直接强化区域内残余应力场进行表征和分析，判定不同表面强化工艺条件产生的应力波型； [0009] (3)依据不同表面强化工艺条件产生的应力波型的差异，确定复合表面强化过程中表面强化工艺条件的调整原则： [0010] 若不同表面强化工艺条件产生不同的应力波型，而进入步骤(4)； [0011] 若不同表面强化工艺条件产生相同的应力波型，但波型不完全相符，则进入步骤(5)； [0012] (4)根据先产生平面波，后产生球面波的复合强化顺序，再调整表面强化工艺的工艺参数，从而确定复合表面强化工艺；平面波诱导形成大的残余压应力引入深度的倾向性更高，球面波诱导形成更高的表面残余压应力的倾向性更高，而“先增大深度，后提高强度”的加工模式更利于形成更大的残余压应力场强度，因此选择“平面波→球面波”的复合顺序。 [0013] (5)基于残余应力场分布特征，确定复合处理过程中的不同表面强化工艺的运行顺序； [0014] (6)根据确定的不同表面强化工艺的运行顺序以及对应的具体的表面强化工艺的工艺参数组合，从而确定复合表面强化工艺。 [0015] 根据本发明优选的，步骤(1)中，所述表面强化工艺为能够实现强烈塑性变形为物理形式且能够实现单点(即固定面积区域)处理的表面加工工艺，表面强化工艺包括机械喷丸、超声喷丸、激光冲击、毫克能冲击等；不同表面强化工艺的具体工艺参数如下：机械喷丸的参数包括喷丸气压、弹丸流量，材质、硬度、大小等弹丸规格；超声喷丸的参数包括功率、振幅等超声波指标，种类、大小等丸料规格；激光冲击的参数包括吸收层、约束层材质与规格，能量、波长、脉宽等激光参数；毫克能冲击的参数包括振幅、速度等冲击指标，直径等冲击针规格。 [0016] 单点处理所对应的具体条件是技术人员仅选择固定面积区域的待处理表面进行表面强化的工艺条件，采用单个处理媒介针对固定面积区域进行的单次表面处理，单个处理媒介指单个丸料、单个光斑、单个冲击针等。举例而言，对于机械喷丸、超声喷丸，即单个丸料实施表面处理；对于激光冲击，即激光束所形成单个光斑进行表面处理；对于毫克能冲击，即冲击针进行单次表面处理。 [0017] 采用同种表面强化工艺或者不同种的表面强化工艺进行复合表面强化，并且当采用同一种类表面强化工艺进行复合表面强化时，表面强化工艺所采用的具体工艺条件不同。 [0018] 根据本发明优选的，步骤(2)中，直接强化区域为材料表面直接承受表面处理过程中外载荷的区域，直接强化区域为由材料表面向材料内部延伸至1mm深度的区域。 [0019] 对于目前工业领域应用的喷丸、超声、冲击等不同形式表面强化技术而言，其诱导材料内部残余应力的最大影响深度为mm量级，而1mm深度至材料表面的区域最直接代表表面强化导致的应力波型特征。为便于判别应力波型特征，本发明所述直接强化区域在材料内部1mm深度以内。 [0020] 根据本发明优选的，步骤(2)中，采用有限元数值模拟得到的直接强化区域的应力分布云图，从而定性判断应力波型；当采用有限元数值模拟的方式进行定性判断，其成本更低，且效率更高；或采用实际试验方式，借助直接强化区域的残余应力场分布数据定量判断应力波型。 [0021] 进一步优选的，采用实际试验方式，借助直接强化区域的残余应力场分布数据定量判断应力波型，具体过程为：在单点处理的固定表面区域内，从不同位置的表面向内部测量残余应力，得到不同位置的残余应力沿深度的变化曲线即得到不同位置的残余应力场变化曲线，同时得到不同数值残余应力在不同位置的分布深度，将这些深度位置连线，便形成不同数值残余应力的等残余应力线；测试仪器不做限定，可以采用传统有损的钻孔法，也可以采用无损的X射线衍射法，还可以采用更先进的中子衍射法测定直接强化区域的残余应力场分布。 [0022] 根据本发明优选的，步骤(2)中，当直接强化区域的等残余应力线与材料表面趋于平行，则判定为该表面强化工艺条件所导致的材料表面应力波型为平面波型； [0023] 当材料表面的直接强化区域的等残余应力线呈弧形且残余应力最高值处于直接强化区域的中间位置，则判定为该表面强化方法的工艺条件所导致的材料表面应力波型为球面波型。 [0024] 表面强化方法处理所诱导的应力波型与表面强化工艺条件相对应,而常规认知中，技术人员或将激光冲击表面处理诱导的应力波波型认定为平面波，而将机械喷丸表面处理诱导的应力波波型认定为球面波；若依据该常规认知，则同一种类的表面强化工艺无法进行变参数多次处理工艺的复合顺序确定。而本发明中，认为激光冲击表面处理方法所对应的不同参数组合下的不同工艺条件或可导致材料表层的不同应力波波型。如此设计，将不同参数所确定的不同工艺进行区别对待，可更精准分辨不同工艺条件的应力波型，有助于实现同一种类的表面强化工艺的变参数多次处理工艺的复合顺序确定。 [0025] 进一步优选的，当判定平面波型应力分布时，直接强化区域中距离材料表面300μm～400μm深度处的等残余应力线上，等残余应力线的中间与边缘位置的深度差不超过该等残余应力线所处平均深度数值的25％，则判定为平面波型；否则，则认定所测定的应力波型为球面波型。 [0026] 对于目前应用的大多数强烈塑性变形式的表面强化技术而言，该深度是大多数技术能够达到的适中的表面强化深度。若技术人员采用的表面强化工艺的残余应力影响深度过小或过大，则可将所述的300μm～400μm深度进行调低或调高处理。需要指出的是，根据大多数表面强化工艺的影响深度，本发明以300μm～400μm处的等残余应力线为基本依据来判定应力波型特征。 [0027] 需要指出的是，本发明所述应力波型的判定只以所述直接强化区域内中间与边缘位置的深度差进行分析。若所述中间与边缘位置的深度差不满足球面波要求，但其他不同位置的最大深度差达到了指定等应力线平均深度数据的25％，此时仍认定该应力波型为平面波型。 [0028] 根据本发明优选的，步骤(4)中，再调整表面强化工艺的工艺参数时，对步骤(2)拟定的复合强化处理中所采用的不同表面强化工艺进行残余应力场的量化分析，即获得表面强化工艺所诱导的外表层最大残余压应力；并根据残余应力场分布特征量化分析结果，对前置和后置表面强化工艺进行参数调整，使得前置表面强化工艺在材料表面产生的最大残余压应力强度小于后置表面强化工艺产生的最大残余压应力强度。 [0029] 不同表面强化工艺所调节的具体参数是不同的，所以此处不做具体限定。例如，对于机械喷丸而言，可通过调节喷丸气压而改变弹丸速度；对于激光冲击而言，可以调节激光能量；对于超声喷丸或豪克能冲击而言，可以调节冲击振幅。 [0030] 本步骤要求所测定不同表面强化工艺所诱导的残余应力波型有差别，确定平面波在前，球面波在后的复合表面强化加工方式，并依据复合处理中所设定的前后顺序，将首先进行的表面处理称为前置表面强化工艺，而将随后进行的表面处理成为后置表面强化工艺。 [0031] 根据本发明优选的，步骤(5)中，基于残余应力场分布特征，确定复合处理过程中的不同表面强化工艺的运行顺序，具体过程为： [0032] 根据不同表面强化工艺产生的残余压应力场强度进行对比分析，将获得相对小的残余压应力场强度的表面强化工艺设定为前置表面强化工艺，而将获得相对大的残余压应力场强度的表面强化工艺设定为后置表面强化工艺。在残余应力沿材料深度方向的分布曲线上，残余压应力曲线与横、纵坐标所包络的面积即为残余压应力场强度，其中横坐标为材料表面向内部延伸的深度，纵坐标是残余应力数值。 [0033] 需要指出的是，以上表面强化工艺顺序的确定方法适用于所述不同表面强化工艺所诱导的残余应力波型均为平面波的所有情况，以及所述不同表面强化工艺所诱导的残余应力波型均为球面波的部分情况。 [0034] 残余压应力场强度为残余应力沿材料深度方向的分布曲线上，残余应力曲线与横、纵坐标所包络的面积，其中横坐标为材料表面向内部延伸的深度，纵坐标是残余应力数值。 [0035] 进一步优选的，当不同表面强化工艺所诱导应力波均为球面波型时，若所述不同表面强化工艺所诱导的残余压应力场强度之差小于所述不同表面强化工艺所诱导的残余压应力场强度平均值的10％，则需通过对比应力波型的明显程度来确定所述不同表面强化工艺的顺序，具体的确定方法为：对比应力波型中中间与边缘位置的深度差，将获得相对较大的深度差对应的表面强化工艺确定为后置表面强化工艺，而获得相对较小的深度差对应的表面强化工艺确定为前置表面强化工艺。 [0036] 由于应力波型的差异程度对变参数多次复合处理的影响更强烈，相比通过对比所述不同表面强化工艺所诱导的残余压应力场强度之差，通过对应应力波型的明显程度来确定所述不同表面强化工艺的顺序，效果更明显。 [0037] 本发明的有益效果为： [0038] 1.本发明先通过数值模拟等方式定性判断表面强化方法应力波波型，并确定不同表面强化方法的复合顺序，随后再利用实际试验定量确定复合表面强化工艺参数，最终实现高残余压应力场强度的复合表面强化工艺条件的确定。 [0039] 在顺序确定过程中，采用数值模拟等方式判断不同表面强化方式的应力波趋近于何种波型，根据波型变化按照平面波在前‑球面波在后的基本原则确定强化顺序； [0040] 在工艺条件确定过程中，先确定趋近于平面波型应力波的表面强化方法的工艺参数，并测试表征该前置工艺条件下导致材料表层强化效果的影响深度，后在复合强化效果影响深度不低于所述前置强化工艺诱导强化层深的要求下通过参数调整方式确定趋近于球面波型应力波的强化方法的具体工艺参数。 [0041] 2.在本发明中，不同表面强化技术与固定的诱导应力波波型不是进行简单的且一成不变的对应；而是将表面强化处理所诱导的应力波波型与特定参数的某技术的具体工艺相对应。举例而言，常规认知中，技术人员或将激光冲击表面处理诱导的应力波波型认定为平面波，而将机械喷丸表面处理诱导的应力波波型认定为球面波；而本发明中，认为激光冲击(或机械喷丸)表面处理所对应的不同参数组合下的不同工艺或可导致材料表层的不同应力波波型。将不同参数所确定的不同工艺进行区别对待，可更精准分辨不同工艺条件的应力波型，有助于实现同一种类的表面强化工艺的变参数多次处理工艺的复合顺序确定。 [0042] 3.本发明提供方法可实现材料内部更高残余压应力场强度的引入，对高强度材料或构件的高强度表面强化具有重要的应用价值；本发明提供方法可避免技术人员对变参数多次表面强化中的具体工艺通过试错法进行繁杂的的对比试验，通过预先的少量应力波型表征工作，即可实现变参数多次表面强化的复合工艺设定，呈现突出的经济价值。附图说明 [0043] 图1为本发明所述的表面强化导致的平面应力波型的波型状态示意图。 [0044] 图2为本发明所述的表面强化导致的球面应力波型的波型状态示意图。 [0045] 图3为发明所述的表面强化处理外载荷所直接作用的直接强化区域示意图。 具体实施方式[0047] 一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，包括： [0048] (1)确定复合表面强化过程拟采用的表面强化工艺的种类，初步拟定在复合表面强化过程中表面强化工艺条件；根据实际加工需求以及设备条件，初步拟定所采用的不同或相同种类表面强化工艺在复合过程中的具体工艺参数。 [0049] 所述表面强化工艺为能够实现强烈塑性变形为物理形式且能够实现单点(即固定面积区域)处理的表面加工工艺，表面强化工艺包括机械喷丸、超声喷丸、激光冲击、毫克能冲击等；不同表面强化工艺的具体工艺参数如下：机械喷丸的参数包括喷丸气压、弹丸流量，材质、硬度、大小等弹丸规格；超声喷丸的参数包括功率、振幅等超声波指标，种类、大小等丸料规格；激光冲击的参数包括吸收层、约束层材质与规格，能量、波长、脉宽等激光参数；毫克能冲击的参数包括振幅、速度等冲击指标，直径等冲击针规格。 [0050] 单点处理所对应的具体条件是技术人员仅选择固定面积区域的待处理表面进行表面强化的工艺条件，采用单个处理媒介针对固定面积区域进行的单次表面处理，单个处理媒介指单个丸料、单个光斑、单个冲击针等。举例而言，对于机械喷丸、超声喷丸，即单个丸料实施表面处理；对于激光冲击，即激光束所形成单个光斑进行表面处理；对于毫克能冲击，即冲击针进行单次表面处理。 [0051] 采用同种表面强化工艺或者不同种的表面强化工艺进行复合表面强化，并且当采用同一种类表面强化工艺进行复合表面强化时，表面强化工艺所采用的具体工艺条件不同。 [0052] (2)对材料的直接强化区域内残余应力场进行表征和分析，判定不同表面强化工艺条件产生的应力波型； [0053] 步骤(2)中，如图3所示，直接强化区域为材料表面直接承受表面处理过程中外载荷的区域，直接强化区域为由材料表面向材料内部延伸至1mm深度的区域。 [0054] 对于目前工业领域应用的喷丸、超声、冲击等不同形式表面强化技术而言，其诱导材料内部残余应力的最大影响深度为mm量级，而1mm深度至材料表面的区域最直接代表表面强化导致的应力波型特征。为便于判别应力波型特征，本发明所述直接强化区域在材料内部1mm深度以内。 [0055] 采用有限元数值模拟得到的直接强化区域的应力分布云图，从而定性判断应力波型；当采用有限元数值模拟的方式进行定性判断，其成本更低，且效率更高；或采用实际试验方式，借助直接强化区域的残余应力场分布数据定量判断应力波型。 [0056] 采用实际试验方式，借助直接强化区域的残余应力场分布数据定量判断应力波型，具体过程为：在单点处理的固定表面区域内，从不同位置的表面向内部测量残余应力，得到不同位置的残余应力沿深度的变化曲线即得到不同位置的残余应力场变化曲线，同时得到不同数值残余应力在不同位置的分布深度，将这些深度位置连线，便形成不同数值残余应力的等残余应力线；测试仪器不做限定，可以采用传统有损的钻孔法，也可以采用无损的X射线衍射法，还可以采用更先进的中子衍射法测定直接强化区域的残余应力场分布。 [0057] 如图1所示，当直接强化区域的等残余应力线与材料表面趋于平行，则判定为该表面强化工艺条件所导致的材料表面应力波型为平面波型； [0058] 如图2所示，当材料表面的直接强化区域的等残余应力线呈弧形且残余应力最高值处于直接强化区域的中间位置，则判定为该表面强化方法的工艺条件所导致的材料表面应力波型为球面波型。 [0059] 表面强化方法处理所诱导的应力波型与表面强化工艺条件相对应,而常规认知中，技术人员或将激光冲击表面处理诱导的应力波波型认定为平面波，而将机械喷丸表面处理诱导的应力波波型认定为球面波；若依据该常规认知，则同一种类的表面强化工艺无法进行变参数多次处理工艺的复合顺序确定。而本发明中，认为激光冲击表面处理方法所对应的不同参数组合下的不同工艺条件或可导致材料表层的不同应力波波型。如此设计，将不同参数所确定的不同工艺进行区别对待，可更精准分辨不同工艺条件的应力波型，有助于实现同一种类的表面强化工艺的变参数多次处理工艺的复合顺序确定。 [0060] 进一步优选的，当判定平面波型应力分布时，直接强化区域中距离材料表面300μm～400μm深度处的等残余应力线上，等残余应力线的中间与边缘位置的深度差不超过该等残余应力线所处平均深度数值的25％，则判定为平面波型；否则，则认定所测定的应力波型为球面波型。 [0061] 对于目前应用的大多数强烈塑性变形式的表面强化技术而言，该深度是大多数技术能够达到的适中的表面强化深度。若技术人员采用的表面强化工艺的残余应力影响深度过小或过大，则可将所述的300μm～400μm深度进行调低或调高处理。需要指出的是，根据大多数表面强化工艺的影响深度，本发明以300μm～400μm处的等残余应力线为基本依据来判定应力波型特征。 [0062] 需要指出的是，本发明所述应力波型的判定只以所述直接强化区域内中间与边缘位置的深度差进行分析。若所述中间与边缘位置的深度差不满足球面波要求，但其他不同位置的最大深度差达到了指定等应力线平均深度数据的25％，此时仍认定该应力波型为平面波型。 [0063] (3)依据不同表面强化工艺条件产生的应力波型的差异，确定复合表面强化过程中表面强化工艺条件的调整原则： [0064] 若不同表面强化工艺条件产生不同的应力波型，而进入步骤(4)； [0065] 若不同表面强化工艺条件产生相同的应力波型，但波型不完全相符，则进入步骤(5)； [0066] (4)根据先产生平面波，后产生球面波的复合强化顺序，再调整表面强化工艺的工艺参数，从而确定复合表面强化工艺； [0067] 步骤(4)中，再调整表面强化工艺的工艺参数时，对步骤(2)拟定的复合强化处理中所采用的不同表面强化工艺进行残余应力场的量化分析，即获得表面强化工艺所诱导的外表层最大残余压应力；并根据残余应力场分布特征量化分析结果，对前置和后置表面强化工艺进行参数调整，使得前置表面强化工艺在材料表面产生的最大残余压应力强度小于后置表面强化工艺产生的最大残余压应力强度。 [0068] 不同表面强化工艺所调节的具体参数是不同的，所以此处不做具体限定。例如，对于机械喷丸而言，可通过调节喷丸气压而改变弹丸速度；对于激光冲击而言，可以调节激光能量；对于超声喷丸或豪克能冲击而言，可以调节冲击振幅。 [0069] 本步骤要求所测定不同表面强化工艺所诱导的残余应力波型有差别，确定平面波在前，球面波在后的复合表面强化加工方式，并依据复合处理中所设定的前后顺序，将首先进行的表面处理称为前置表面强化工艺，而将随后进行的表面处理成为后置表面强化工艺。 [0070] (5)基于残余应力场分布特征，确定复合处理过程中的不同表面强化工艺的运行顺序； [0071] 步骤(5)中，基于残余应力场分布特征，确定复合处理过程中的不同表面强化工艺的运行顺序，具体过程为： [0072] 根据不同表面强化工艺产生的残余压应力场强度进行对比分析，将获得相对小的残余压应力场强度的表面强化工艺设定为前置表面强化工艺，而将获得相对大的残余压应力场强度的表面强化工艺设定为后置表面强化工艺。在残余应力沿材料深度方向的分布曲线上，残余压应力曲线与横、纵坐标所包络的面积即为残余压应力场强度，其中横坐标为材料表面向内部延伸的深度，纵坐标是残余应力数值。 [0073] 需要指出的是，以上表面强化工艺顺序的确定方法适用于所述不同表面强化工艺所诱导的残余应力波型均为平面波的所有情况，以及所述不同表面强化工艺所诱导的残余应力波型均为球面波的部分情况。 [0074] 残余压应力场强度为残余应力沿材料深度方向的分布曲线上，残余应力曲线与横、纵坐标所包络的面积，其中横坐标为材料表面向内部延伸的深度，纵坐标是残余应力数值。 [0075] 进一步优选的，当不同表面强化工艺所诱导应力波均为球面波型时，若所述不同表面强化工艺所诱导的残余压应力场强度之差小于所述不同表面强化工艺所诱导的残余压应力场强度平均值的10％，则需通过对比应力波型的明显程度来确定所述不同表面强化工艺的顺序，具体的确定方法为：对比应力波型中中间与边缘位置的深度差，将获得相对较大的深度差对应的表面强化工艺确定为后置表面强化工艺，而获得相对较小的深度差对应的表面强化工艺确定为前置表面强化工艺。 [0076] 由于应力波型的差异程度对变参数多次复合处理的影响更强烈，相比通过对比所述不同表面强化工艺所诱导的残余压应力场强度之差，通过对应应力波型的明显程度来确定所述不同表面强化工艺的顺序，效果更明显。 [0077] (6)根据确定的不同表面强化工艺的运行顺序以及对应的具体的表面强化工艺的工艺参数组合，从而确定复合表面强化工艺。 [0078] 实施例2 [0079] 一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，包括： [0080] 本实施例以航空制造领域某叶片零件的表面强化处理为例，(1)技术人员确定采用激光冲击与机械喷丸两类表面强化工艺的复合处理作为其表面处理方法，初步拟定激光冲击工艺条件为：Nd‑YAG激光器波长1064nm，脉冲宽度18ns，激光能量2J，圆形光束且其直径2.5mm，光束能量分布特征为平顶分布，吸收层为1mm去离子水幕，吸收层为黑色3M胶带；‑1 机械喷丸工艺条件为：气动喷丸机喷丸气压3MPa，喷丸流量8kg·min ，直径0.6mm的S230钢丸，喷丸时间16s。 [0081] (2)机械喷丸单点冲击所诱导的残余应力场变化通过对应工艺的有限元模型来获得。对上述两种特定工艺条件的表面强化工艺进行有限元模拟处理，分析数值模拟结果可知，激光冲击诱导残余应力波型为平面波，而机械喷丸诱导残余应力波型为球面波。 [0082] (3)确定先激光冲击，后机械喷丸的复合处理顺序。另从数值模拟结果还可获得，激光冲击所诱导的材料表面残余压应力数值大于机械喷丸所诱导，故两类不同技术的具体工艺需调整处理。将机械喷丸所采用喷丸气压升高至5Mpa，此时对应的改变弹丸入射速度的机械喷丸所诱导材料表面残余压应力数值超过激光冲击所诱导。最终确定该叶片零件的复合强化处理工艺为：先采用上述工艺(工艺参数未调整)的激光冲击进行前置表面强化，后采用上述调整工艺(喷丸气压由3MPa升高至5MPa)的机械喷丸进行后置表面强化。 [0083] 本发明提供的确定主要价值在于事前(即复合处理)预先判断(即判断能否复合，若复合后得不到最大的残余压应力场强度，那么如何调整现有的单次处理工艺)，对比常规试错法获取最优复合工艺而言，本发明所述方法更具经济性。直观反映显著进步，或只能从残余压应力场强度的大小上来区分。 [0084] 对本实施例所确定的复合强化处理工艺作为工艺1；工艺1：激光冲击工艺作为前置强化工艺；机械喷丸工艺作为后置强化工艺，喷丸气压设定为5Mpa。 [0085] 工艺2、工艺3和工艺4作为对比，具体的， [0086] 工艺2：激光冲击工艺作为前置强化工艺，工艺条件与工艺1中的激光冲击工艺条件相同；机械喷丸工艺作为后置强化工艺，喷丸气压设定为3Mpa。 [0087] 工艺3：机械喷丸工艺作为前置强化工艺，喷丸气压为3MPa；激光冲击工艺作为后置强化工艺，工艺条件与工艺1中的激光冲击工艺条件相同。 [0088] 工艺4：机械喷丸工艺作为前置强化工艺，喷丸气压为5Mpa；激光冲击工艺作为后置强化工艺，工艺条件与工艺1中的激光冲击工艺条件相同。 [0089] 采用X射线衍射方法获取工艺1‑4诱导材料的残余压应力场强度，结果显示，工艺1所诱导残余压应力场强度分别比工艺2、3、4高约5％、10％、15％。 [0090] 实施例3 [0091] 一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，包括： [0092] 以航空制造领域某叶片零件的表面强化处理为例，技术人员确定采用激光冲击一类表面强化技术的不同工艺条件的复合处理作为其表面处理方法，初步拟定一种激光冲击工艺条件为：Nd‑YAG激光器波长1064nm，脉冲宽度18ns，激光能量2J，圆形光束且其直径2.5mm，光束能量分布特征为平顶分布，吸收层为1mm去离子水幕，吸收层为黑色3M胶带；另一种激光冲击工艺条件为：Nd‑YAG激光器波长1064nm，脉冲宽度18ns，激光能量2J，圆形光束且其直径2.5mm，光束能量分布特征为高斯分布，吸收层为1mm去离子水幕，吸收层为黑色 3M胶带。 [0093] 对上述两种特定工艺条件的表面强化技术进行叶片材料的实际试验处理，采用某应力分析仪测得材料表层不同位置在一定深度的残余应力场分布数据，通过分析可知，两种激光冲击处理工艺所诱导的残余应力波型均为平面波型。 [0094] 进一步地，对比直接强化区域中心位置的残余压应力场强度后，结果显示具有平顶能量分布特征的激光冲击工艺诱导材料获得了相对更大的残余压应力场强度，故将平顶能量分布激光冲击工艺作为后置表面强化工艺，而将高斯能量分布激光冲击工艺作为前置表面强化工艺。 [0095] 在不做参数调整的情况下，最终确定该叶片零件的复合强化处理工艺为：先采用上述高斯光束能量分布形式的激光冲击工艺进行前置强化，后采用上述平顶光束能量分布形式的激光冲击工艺进行后置强化。 [0096] 对本实施例所确定的复合强化处理工艺作为工艺1，即工艺1：将高斯光束能量分布形式的激光冲击工艺确定为前置强化工艺，平顶光束能量分布形式的激光冲击工艺作为后置强化工艺。 [0097] 将平顶光束能量分布形式的激光冲击工艺确定为前置强化工艺，高斯光束能量分布形式的激光冲击工艺作为后置强化工艺，以上工艺复合强化处理作为工艺2，作为对比。 [0098] 采用X射线衍射方法对工艺1和2所诱导材料的残余压应力场强度进行测试和对比，结果显示，工艺1所诱导残余压应力场强度分别比工艺2高约10％。 [0099] 实施例4 [0100] 一种基于应力波型的复合表面强化工艺的确定方法，包括： [0101] 以航空制造领域某叶片零件的表面强化处理为例，技术人员确定采用机械喷丸一类表面强化技术的不同工艺条件的复合处理作为其表面处理方法，初步拟定第一种机械喷‑1丸工艺条件为：气动喷丸机喷丸气压3Mpa，喷丸流量8kg·min ，直径0.6mm钢丸，喷丸时间‑1 16s；第二种机械喷丸工艺条件为：气动喷丸机喷丸气压4MPa，喷丸流量8kg·min ，直径1mm钢丸，喷丸时间16s。 [0102] 对上述两种特定工艺条件的表面强化技术进行叶片材料的实际试验处理，采用某应力分析仪测得材料表层不同位置在一定深度的残余应力场分布数据，通过分析可知，两种机械喷丸处理工艺所诱导的残余应力波型均为球面波型。 [0103] 进一步地，对比直接强化区域中心位置的残余压应力场强度后，结果显示两种机械喷丸工艺诱导的残余压应力场强度基本相等。此时通过对比分析两种工艺所诱导的应力波型的形态特征可知，第一种工艺条件所诱导应力波型的中间与边缘位置的深度差更大，故确定第二种工艺条件为前置表面强化工艺，而第一种工艺条件为后置表面强化工艺。 [0104] 在不做参数调整的情况下，最终确定该叶片零件的复合强化处理工艺为：先采用上述第二种机械喷丸工艺进行前置强化，后采用上述第一种机械喷丸工艺进行后置强化。将所确定的两种表面强化工艺作为工艺1。 [0105] 将第一种机械喷丸工艺确定为前置强化工艺，第二种机械喷丸工艺确定为后置强化工艺，以上工艺复合强化处理作为工艺2，作为对比。 [0106] 采用中子衍射方法对工艺1和2所诱导材料的残余压应力场强度进行测试和对比，结果显示，工艺1所诱导残余压应力场强度分别比工艺2高约15％。 [0107] 在追求更高的残余压应力场强度的工业需求下，本发明提供了一种确定变参数多次表面强化复合工艺的简便方法。按照目前表面强化处理相关技术要求，若对待处理材料或构件进行变参数多次处理，则需通过设定不同复合顺序的对比试验或设定多组不同单次工艺复合的对比试验，基于不同的表面强化效果的对比分析，而确定复合处理工艺。本发明给出一个预先工艺设定依据，有助于技术人员预先判断现有的单次处理工艺能否通过复合而获得最大的残余压应力场强度，以及若要获得最大的残余压应力场强度，如何对现有的单次处理工艺进行工艺调整。 |
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