多层激光冲击强化6061-T6铝合金抗电化学腐蚀及拉伸性能研究

摘要

铝合金具有密度低、比强度高、塑性强等特点，在航空航天、汽车制造、海洋工程等高端制造行业有着广泛的应用，其各项机械性能对大型尖端设备的服役寿命具有重大影响。通常铝合金材料的表面硬度较低，在潮湿、高强度工况下服役时，容易发生点腐蚀、局部腐蚀、疲劳断裂等多种形式的破坏，从而降低了铝合金的机械性能及服役寿命。激光冲击强化是一种新型表面强化技术，可以有效改善金属及合金材料的微观组织及表面完整性，抑制材料表面裂纹的萌生和扩展，提高金属材料的机械性能，常应用于零部件关键部位的表面强化处理。但目前，关于多层激光冲击强化对铝合金抗腐蚀性能及拉伸性能的影响尚缺乏系统的研究，本文以6061-T6铝合金为研究对象，构建了多参数集成控制的激光冲击强化系统，采用数值模拟和试验分析的研究方法，对多层激光冲击铝合金的抗电化学腐蚀性能和拉伸性能进行了系统研究，主要研究内容如下： (1) 构建了多参数集成控制的激光冲击强化系统。 通过构建多参数集成控制的激光冲击强化系统，解决了学校激光所在5轴工作平台上进行冲击试验时，存在自由度低，冲击范围受限制，运动范围被干涉，且无法进行叶片等复杂零件冲击强化的问题。整个系统集激光器、机械手及其控制柜、水循环系统、外部光路系统、以及PC离线软件系统于一体，并且各个系统间相互联动，被加工零件可在空间内自由旋转，并通过新型的激光强化工艺实现对复杂曲面的激光冲击强化。 (2) 通过ABAQUS有限元软件对6061-T6铝合金试样进行了1层、2层、3层激光冲击数值模拟研究，为多层激光冲击铝合金试验提供了理论依据。 随着激光冲击层数的增加，6061-T6铝合金表面的残余压应力增加，残余应力分布更加均匀。应力在截面垂直方向呈“压应力—拉应力—压应力”的分布。经过多层激光冲击，6061-T6铝合金试样表面发生了明显的塑性变形，材料整体由于模型内部的力学平衡而发生宏观塑性变形，并且随着冲击层数的增加，“拱桥”状宏观变形更加明显。 (3) 利用多参数集成控制的激光冲击强化系统对6061-T6铝合金试样进行了单面1层、2层、3层激光冲击处理，研究了多层激光冲击强化后，材料表面残余应力、微观组织、表面粗糙度的改变对抗电化学腐蚀性能的影响。 经过多层激光冲击强化后，试样表面残余压应力最大值从1层冲击后的-68 MPa提升到3层冲击后的-107 MPa，表面显微硬度从未冲击试样的110 HV提升到3层冲击后的188 HV，表面粗糙度随着冲击层数的增加而降低，试样表面晶粒细化层深度从1层冲击后的130 μm增加到3层冲击后的170 μm。多层激光冲击后， 6061-T6铝合金电化学腐蚀电位正移，电化学阻抗增大，腐蚀电流减小，材料表现出更好的抗腐蚀性。6061-T6铝合金表面产生的残余压应力、晶粒细化及较低的表面粗糙度有利于提高材料的抗电化学腐蚀性能，材料表面腐蚀程度降低，腐蚀坑尺寸减小。 (4) 利用多参数集成控制的激光冲击强化系统对6061-T6铝合金试样进行了双面1层、2层、3层激光冲击处理，研究了不同层数激光冲击后铝合金的拉伸性能，对断口形貌进行了表征，揭示了激光冲击强化层数对6061-T6铝合金材料拉伸性能的影响机制。 双面多层激光冲击强化大幅提升了试样的极限抗拉强度，经过3层冲击后，试样的极限抗拉强度提升到255 MPa，较未冲击试样共提升了13.3%。材料的伸长率先减小后增大，由未冲击试样的13.6%降到1层冲击后的11.3%，再提升到3层冲击后的14.3 %。3层冲击后，拉伸试样断口内部的韧窝大小分布更加均匀，韧窝密度提升，韧窝尺寸大小约为10μm。分析了材料表层细化晶粒、残余应力分布及表面粗糙度在多层冲击下对裂纹萌生和扩展的影响，揭示了激光冲击层数对6061-T6铝合金拉伸性能的影响机制。

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