激光喷丸对块体非晶合金微观结构及性能的影响

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非晶合金由于具有高耐磨、耐蚀性、高弹性极限、高强度以及优良的磁性能等优点,因而在多种领域均具有十分广阔的应用前景。然而,非晶合金由于其独特的短程有序、长程无序结构,致使其在室温下的宏观塑性近乎为零,成为制约其成形制造以及的工程应用关键瓶颈。因此,如何改善非晶合金的室温塑性已经成为材料研究领域迫切需要解决的问题。本文实验采用Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5(vit1)块体非晶合金,开展了激光喷丸热效应、激光喷丸冲击力效应,以及激光喷丸热/力效应对非晶合金表面形貌、微观组织结构以及力学性能和耐腐蚀性的影响等研究工作。主要结论如下:(1)首先研究了热效应为主的单点激光喷丸对非晶合金表面形貌的影响,探讨了激光与非晶合金相互作用的过程和机理,通过表面张力波理论、Kelvin.Helmholtz不稳定性机制以及Saffman-Taylor不稳定性理论对喷丸边缘区域形成的的周期性波纹以及指化现象进行了理论解释;其次研究了圆环结构直径和波纹间距随激光能量、脉冲次数的演变情况。研究结果表明,圆环结构的直径随着激光能量和脉冲次数的增加近似呈线性增大,但脉冲次数大于10后圆环结构的直径增长趋势放缓。波纹间距不随激光能量的大小而改变,但随着脉冲次数的增加逐渐增大。当能量为600 mJ,脉冲次数为200时,在喷丸区域还形成大量无规则分布的微裂纹。(2)系统研究了冲击力效应为主的单点激光喷丸对非晶合金表面完整性的影响。首先研究了激光喷丸对非晶合金表面微观组织结构、光学形貌和粗糙度的影响,并对其影响机制进行了分析;其次研究了激光喷丸对非晶合金硬度的影响,分析了硬度变化的原因;最后对激光喷丸后非晶合金的表面微裂纹/剪切带及其形成机制进行了分析。研究结果表明,非晶合金在激光喷丸处理后仍然保持了非晶态结构,但喷丸区域形成一个圆形微凹坑,且表面粗糙度增大,原因在于激光喷丸时形成的冲击波压力远高于材料弹性极限,并且激光能量不均和吸收层表面的不平整,造成冲击波压力不均匀。随着喷丸过程中激光能量的增加,非晶合金表面微凹坑的直径和深度也呈现出逐渐增大的趋势,同时表面粗糙度也越高。激光喷丸区域硬度降低,且喷丸中心区域硬度减小幅度最大,约为13%,分析表明激光喷丸塑性变形区域内形成的大量剪切,由于应变软化导致非晶合金硬度降低。在激光喷丸诱导的高压冲击波作用下,非晶合金试样表面的剪切带/微裂纹是通过孔洞的连接来实现的。(3)系统研究了多点激光喷丸对非晶合金微观组织结构和力学性能的影响规律。首先分析了等腰直角搭界方式下不同横向搭接率对非晶合金表面粗糙度的影响;其次,采用优化的工艺参数对非晶合金进行激光喷丸处理,研究了激光喷丸前后非晶合金微观组织结构的变化;最后通过三点弯曲实验、单向压缩实验系统研究了激光喷丸对非晶合金室温塑性的影响。研究结果表明,当横向搭接率为29.3%时,激光喷丸后试样表面粗糙度最小。多点激光喷丸后,非晶合金仍然保持非晶态结构,但在非晶合金内产生了大量的自由体积。激光喷丸处理后非晶合金在三点弯曲过程中塑性变形挠度增大了1.83倍,分析表明塑性的增强得益于激光喷丸后非晶合金自由体积的增大,在后续变形中更易生成多重剪切带。单向压缩实验表明激光喷丸非晶试样具有明显的尺寸效应,小尺寸块体非晶合金试样具有更高的压缩强度和更优异的塑性。(4)系统研究了多点激光喷丸热/力效应对非晶合金微观组织结构和性能的影响。首先通过无吸收层激光喷丸(Laser shock peening without coating, LSPwC)工艺对非晶合金试样表面进行喷丸处理,并对LSPwC处理后非晶合金表面的微观组织结构进行了分析;其次研究了LSPwC处理后非晶合金的室温塑性;分析了激光喷丸热/力效应对非晶合金塑性影响的机制;最后研究了LSPwC处理后非晶合金的纳米硬度和耐蚀性。研究结果表明,LSPwC处理后非晶合金表面仍保持非晶特质,但在非晶合金熔融表层120μm以下检测到分布均匀的晶化相。LSPwC处理后非晶合金塑性挠度增加了23%,分析表明在弯曲变形过程由LSPwC引起的非晶合金自由体积的增大、晶化相的产生以及表层复杂分布的残余应力使得非晶合金的塑性增大,由LSPwC处理后产生的烧蚀坑导致非晶合金的塑性降低,但其对LSPwC处理后非晶合金塑性的影响并不占据主导地位。LSPwC处理后非晶合金纳米硬度减小,但耐蚀性增强,并且采用吸收层的激光喷丸处理后的非晶合金耐蚀性更好。
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