摘要
对于高强度大厚度工件，激光冲击强化（Laser shock peening,LSP）工艺存在厚度效应，达不到预期强化效果，并且因引入的残余应力的不合理分布，易导致疲劳寿命的负增益；提高激光能量可以减少厚度效应影响，但大能量激光器成本高、使用环境苛刻。针对以上问题，提出脉冲电流（Electric pulsed,EP）辅助激光冲击强化工艺（Electric pulsed assisted laser shock peening,EP-LSP），在激光冲击加工时同步施加脉冲电流，通过电致塑性效应降低材料的变形抗力、提高其塑性和成形性能，以解决激光冲击强化所存在的问题。论文以2024航天铝合金为研究对象，结合理论分析、数值模拟以及试验表征方法，探索了EP-LSP对2024铝合金微观组织和力学性能的影响规律，提出了脉冲电流辅助激光冲击强化机理。主要结论和创新性成果如下： （1）根据试样材料、尺寸和使用环境，确定了脉冲电源发生装置和绝缘夹具；在激光冲击平台基础上，设计了脉冲电流辅助激光冲击复合强化方案，在保证强化效果的同时，达到系统绝缘安全，搭建了脉冲电流辅助激光冲击强化同步加载平台。 （2）基于激光冲击强化理论及脉冲电流的电致塑性效应理论，分析了“激光冲击”与“电致塑性”共致理论，获得了2024铝合金塑性变形行为与残余应力形成机制和规律；修正了2024铝合金Johnson-cook本构模型，以及EP-LSP过程中材料参数，建立了脉冲电流辅助激光冲击强化有限元模型，基于以上模型分析发现，相同激光冲击层数下，EP-LSP较LSP诱导了更高的残余压应力和更深的残余压应力层，EP可以减小LSP强化至饱和的次数。 （3）通过脉冲电流辅助激光冲击强化实验研究，探索了激光冲击强化和脉冲电流辅助激光冲击复合强化两种工艺下2024铝合金的微观组织与力学性能变化规律。结果表明，EP-LSP较LSP诱导的2024铝合金塑性变形更为严重，晶粒细化程度更高；EP-LSP的XRD图谱半高宽大于LSP，而且发生衍射峰右移现象，EP-LSP诱导晶粒细化程度更高并引入了更大残余应力；EP-LEP较LSP引入了更高密度的位错结构，相比LSP引入的位错网和位错墙，EP-LSP试样还发现位错缠结和胞状位错结构；EP-LSP诱导了2024铝合金发生动态析出，析出相为纳米级S相（Al2CuMg）；EP-LSP较LSP诱导了更高的显微硬度、弹性模量和残余压应力，以及更深的强化层。 （4）提出了脉冲电流辅助激光冲击2024铝合金的强化机理。研究发现，EP-LSP诱导的残余压应力层深度增加是由于电致塑性的焦耳热效应和纯电致塑性效应造成的热软化和纯电致塑性效应导致初始屈服应力的降低；EP-LSP增加了可动位错的同时，增加了潜在的成核位点，通过动态析出效应使得材料的显微硬度和弹性模量提高，同时进一步提高位错与动态析出相的相互作用；在多次EP-LSP后2024铝合金内部出现高密度位错、位错胞及亚晶界的结构，晶粒细化程度较LSP更高，这些微观结构诱导的位错网和位错墙结构对位错有更强阻碍作用，EP-LSP强化至饱和的次数会较LSP更少。
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