激光喷丸强化TC4钛合金抗氢渗透试验研究及数值模拟

论文摘要

TC4（Ti-6Al-4V）钛合金具有比强度高、密度低、耐腐蚀性强等优异性能,在海洋工程装备领域中应用广泛,然而,钛合金亦具有较强的环境敏感性,海洋富氢环境将加剧钛合金构件表面的吸氢反应,导致氢致开裂,造成重大安全事故。激光喷丸表面改性技术利用高强冲击波压力在材料表层诱导应力强化和组织强化效应,可有效降低海洋工程关键结构件发生氢脆和应力腐蚀开裂的概率。本文以TC4钛合金为研究对象,通过理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法,分析激光喷丸（Laser peening,LP）强化前后,试样中氢吸附和氢扩散行为的变化规律,探索激光喷丸TC4钛合金抗氢渗透的宏微观强化机理,最终实现延长海洋结构装备服役寿命的目的。主要工作如下:（1）从氢脆作用机理出发,分析钛合金氢脆产生的原因,阐述氢在材料中的吸附和扩散过程,讨论氢渗透相关理论及氢扩散的控制方程和本构方程,从弹塑性力学的角度出发,对激光喷丸后材料的动态响应机制进行分析,评估其诱导形成的残余应力场,分析激光喷丸强化诱导的残余压应力、晶粒细化及位错增殖等应力和组织强化效应提升TC4钛合金抗氢渗透性能的机理。（2）开展不同激光功率密度下,典型TC4钛合金试样激光喷丸强化、电化学充氢及氢渗透试验,探索充氢试样激光喷丸前后,材料表层残余应力、显微硬度、晶粒尺寸及位错组态等宏微观后续性能变化,及其对氢吸附和扩散行为的影响。结果表明,随着激光功率密度的增加,充氢试样表层的残余压应力幅值、显微硬度影响层深度、晶粒细化率和位错密度均增加,充氢后材料表层的硬化率逐渐降低,位错密度的增加可提供更多的氢捕获位点,且位错在材料内部的均匀分布有助于降低氢在晶界富集的概率。根据氢渗透试验的氢渗透曲线计算获得氢扩散系数、晶格中的氢浓度和氢陷阱密度等指标,结果表明,激光喷丸有利于阻碍氢原子在TC4钛合金材料表层的吸附,降低氢在材料晶格内的扩散系数,扩散率的降低使得氢难以继续向材料内部渗透,从而可有效降低TC4钛合金的氢脆敏感性。（3）基于ABAQUS软件,构建激光喷丸工艺参数-残余应力-氢扩散特性集成的数字化分析平台,将激光喷丸强化有限元分析所得的应力应变结果,作为氢扩散的预定义场,进行应力诱导氢扩散的顺次耦合计算,研究残余压应力分布对TC4钛合金抗氢渗透行为的影响规律,实现钛合金氢脆敏感性的合理预测。对比激光喷丸诱导表层残余应力的数值模拟和实验结果,表明模拟值与试验值的变化趋势一致,环境氢浓度直接影响氢渗入材料内部的速率及数量,激光喷丸诱导的残余压应力分布可有效降低进入材料内部的氢浓度,从而提高TC4钛合金抗氢脆性能。最后,综合分析实验和模拟结果,提出激光喷丸强化TC4钛合金抗氢渗透机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 钛合金氢脆的国内外研究现状
•   1.3 钛合金抗氢脆工艺研究及存在问题
•   1.4 金属材料氢渗透的试验研究及数值模拟
•     1.4.1 氢渗透的试验研究
•     1.4.2 氢扩散的数值模拟
•   1.5 激光喷丸强化技术国内外研究现状
•     1.5.1 激光喷丸技术原理及特点
•     1.5.2 激光喷丸强化钛合金研究现状
•     1.5.3 激光喷丸强化抗氢脆研究现状
•   1.6 选题意义及主要内容
•     1.6.1 课题研究的主要意义
•     1.6.2 课题研究的主要内容
•   1.7 本课题研究获得如下基金资助
• 第二章 激光喷丸强化钛合金抗氢渗透理论基础
•   2.1 钛合金氢脆产生的原因
•     2.1.1 钛合金的氢脆机理
•     2.1.2 钛合金氢脆的影响因素
•   2.2 氢渗透相关理论
•     2.2.1 氢在合金中的扩散
•     2.2.2 氢迁移理论
•     2.2.3 氢陷阱理论
•   2.3 氢扩散控制方程和本构方程
•     2.3.1 氢扩散控制方程
•     2.3.2 氢扩散本构方程
•   2.4 LP强化抗氢渗透机理
•     2.4.1 LP产生的应力效应对材料抗氢渗透性的作用
•     2.4.2 LP产生的显微结构变化对材料抗氢渗透性的作用
•   2.5 本章小结
• 第三章 激光喷丸强化TC4氢渗透试验研究
•   3.1 激光喷丸强化试验
•     3.1.1 激光喷丸试样制备
•     3.1.2 激光喷丸试验装备
•     3.1.3 激光喷丸试验方案
•   3.2 电化学充氢及氢渗透试验
•     3.2.1 充氢及氢渗透试样制备
•     3.2.2 充氢及氢渗透试验设备
•     3.2.3 充氢及氢渗透试验方案
•   3.3 材料后续性能测试
•     3.3.1 残余应力检测装备及方式
•     3.3.2 硬度检测装备及方式
•     3.3.3 微观结构检测装备及方式
•   3.4 未处理及激光喷丸试样的试验结果与分析
•     3.4.1 TC4 钛合金充氢试样的表面残余应力
•     3.4.2 TC4 钛合金充氢试样的显微硬度
•     3.4.3 TC4 钛合金充氢试样的显微组织
•     3.4.4 TC4 钛合金试样氢渗透行为
•   3.5 本章小结
• 第四章 激光喷丸TC4钛合金氢扩散数值模拟
•   4.1 激光喷丸强化数值模拟
•     4.1.1 ABAQUS简介
•     4.1.2 数值模拟方案
•     4.1.3 有限元建模与网格划分
•     4.1.4 材料本构模型
•     4.1.5 激光喷丸过程冲击波加载
•     4.1.6 激光喷丸模拟结果
•   4.2 激光喷丸应力场下氢扩散的数值模拟
•     4.2.1 ABAQUS氢扩散模块简介
•     4.2.2 氢扩散数值模拟方案
•     4.2.3 材料参数及边界条件
•     4.2.4 几项假设条件
•     4.2.5 氢扩散有限元结果分析
•   4.3 激光喷丸强化抗氢渗透机理
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 袁广

导师: 黄舒,周建忠

关键词: 激光喷丸强化,钛合金,电化学充氢,氢渗透试验,数值模拟

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺

单位: 江苏大学

基金: 中国博士后科学基金63批面上一等资助项目,超高应变率激光喷丸深海钛合金抗氢脆机理及性能调控,No.2018M630526,2018.07-2020.07,国家自然科学基金面上项目,深海钛合金构件激光喷丸强化抗氢致开裂机理及性能调控,No.51775252,2018.01-2021.12,江苏省第十五批“六大人才高峰”高层次人才选拔培养资助,深海钛合金构件激光喷丸强化抗氢致开裂机理及性能调控,No.GDZB-050,2019.01-2021.12,江苏大学“青年骨干教师培养工程”青年学术带头人培育项目,No.2016016,2016.01-2019.12

分类号: P75;TG146.23;TG668

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