【摘 要】
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随着工业的不断发展,对铝合金构件的综合性能提出了更高的要求,而传统的强化技术,包括机械喷丸、冷挤压、热处理等,都存在着加工周期长、工艺流程繁杂、强化效果不理想等问题。激光冲击强化是目前较为高效的表面强化手段,可以在强化后的构件近表面区域形成一层较深的残余压应力层并且能够使晶粒得到细化,但是当工件较厚时,强化效果有限。而脉冲电流辅助加工技术能在极短的时间内将多种能量耦合场（热-电-力）输入进材料,可
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随着工业的不断发展,对铝合金构件的综合性能提出了更高的要求,而传统的强化技术,包括机械喷丸、冷挤压、热处理等,都存在着加工周期长、工艺流程繁杂、强化效果不理想等问题。激光冲击强化是目前较为高效的表面强化手段,可以在强化后的构件近表面区域形成一层较深的残余压应力层并且能够使晶粒得到细化,但是当工件较厚时,强化效果有限。而脉冲电流辅助加工技术能在极短的时间内将多种能量耦合场（热-电-力）输入进材料,可以改变材料的微观组织与降低流变应力。因此将电流引入激光冲击强化处理中,会在表面能够形成更大的残余压应力并产生更厚的塑性变形层,进而提高强化效果。本文以试验为主,并结合理论分析与数值模拟的方法,首先理论分析了电辅助强化的可行性,其次采用热电场耦合数值模拟与试验相结合的方法分析热电场分布,最后对脉冲电流辅助激光冲击化后2024-T4铝合金构件的力学性能与微观组织形貌进行研究,并探索分析了强化机理。主要研究内容与相关结论如下:（1）采用ANSYS数值分析软件建立热电耦合的模型,并结合实际测温的试验结果分析了不同参数脉冲电流对热电场分布影响的规律。研究表明,集肤效应、温升速度、最终趋于稳定的温度以及温度趋于稳定的时间,这些参数都会随着峰值电流、占空比、频率的提高而增大;峰值温度与温升效率会随着频率升高而提高,当频率越高时集肤效应也会越明显,表面的电流密度会明显高于试样内部,且表面与试样内部的电流密度差值会随着频率的提高而提高。（2）对2024-T4铝合金试样进行不同通电方式、不同电流密度下的电辅助激光冲击试验,研究了不同工艺下2024-T4铝合金的显微硬度、残余应力分布与拉伸性能。研究表明,相比于单一激光冲击处理,预通电、协同通电辅助强化两种处理方式获得了更高的显微硬度与残余应力,且协同处理提升更多,冲击强化后通电处理出现了较小的负增益;与单一激光冲击强化相比,脉冲电流协同辅助激光冲击强化处理后抗拉强度明显提高,而延伸率下降不显著。（3）通过对材料微观组织的观察,发现材料表面的晶粒平均尺寸从75μm（未处理）降至50μm（LSP）与25μm（LSP-DAE）,且电流协同辅助激光冲击强化（LSP-DAE）处理后,材料表面中出现了明显的再结晶的细小晶粒;LSP-DAE处理后,在厚度方向上的晶粒细化层深度达到了510μm,晶粒尺寸也明显小于未处理与单一激光强化处理试样;分析XRD图谱,发现LSP-DAE处理后的试样（200）峰半高宽值大于LSP与未处理试样。（4）通过疲劳试验,发现LSP-DAE与LSP处理后,疲劳寿命相较于未处理试样分别提高了119.19%与79.96%;由于LSP-DAE在近表层区域形成了比单一LSP处理厚度更深的晶粒细化层与残余压应力层,致使疲劳裂纹的扩展速率下降,且主裂纹生长区也被限制在更小的区域内,大部分主扩展裂纹被限制集中于试样中部区域,先在垂直于厚度方向以近似平行水流的方式生长一段距离后,之后呈扇形向表面扩展;根据理论分析,揭示了在LSP-DAE处理时,是由于同时引入了多种能场并与激光冲击波共同作用于试样的缘故,从而提升了材料的综合性能。
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