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行业新闻

机器人锤击强化及其在先进表面强化中的应用

发布时间:2020.10.16    点击数: 560

       在基于金属的制造和/或再制造领域,表面强化通常是指机械冷加工工艺,如抛喷丸、滚压、抛光等,应用于工件表面,以提高其疲劳寿命。表面强化对金属疲劳寿命的主要影响与残余压应力的引入有关。除了应力效应外,通过表面强化使表面平滑、硬化和/或晶粒细化对延长金属部件使用寿命也起着重要作用。表面强化技术在金属结构合金制造业中得到了长久且广泛的应用。近年来,随着增材制造的快速增长以及自动化和精密控制系统的不断发展,通过专门的工艺设计和/或系统集成,使先进的表面强化技术得到发展成为可能[2]。表面强化中冷加工背后的普通物理原理与晶体缺陷的产生、相互作用和/或消除有关,这些缺陷在宏观上表现为塑性变形。这些晶体缺陷包括气孔、微裂纹、位错、层错、孪晶、相变等。这些缺陷在冷加工过程中的演变导致基体材料的残余压应力累积、硬化和/或晶粒细化,进而提高其疲劳寿命、机械强度、耐磨性和/或抗腐蚀性能。各种冷加工工艺,如机器人锤击喷丸(robotic hammer peening简写RHP)、超声波纳米晶表面改性(ultrasonic nanocrystal surface modification简写UNSM)、冷深滚压、喷丸强化、激光冲击强化、空化冲击强化等,已被开发用于先进表面强化[3]。其中,RHP工艺(除喷丸频率差异较大外,其他与UNSM相似),不需要消耗性资源,如激光冲击和空化冲击中的水或喷丸强化中的介质,它具有可与增材制造和/或其他可本地化表面处理技术(如激光或局部热处理)集成的优点。人们已经提出此种系统集成,目前正由ARTC和IMRE(A*STAR,新加坡)合作进行中,以实现先进表面强化。在本文中,我们报告了有关不锈钢(SS304L)和镍基单晶(NBSC)超合金试样的RHP工艺的最新研究成果。SS304L(以γ相奥氏体为主)的堆垛层错能(主要取决于元素组成)远低于NBSC超合金,但两者均为面心立方(FCC)晶体结构。结果表明,SS304L与NBSC超合金在动态表面强化作用下的塑性变形机制不同。在此,我们试图揭示SS304L的强化诱发的塑性变形和奥氏体(γ相)到马氏体(α’相)变形的平面内分布以及NBSC超合金的机器人锤击诱发的晶体重取向。当通过RHP设计冷加工工艺和/或系统集成以进行先进的表面强化时,它们可能会产生重要影响

材料和方法

这项研究使用了市售的SS304L和NBSC超合金(第三代)试样。后者在RHP工艺前通过电火花加工(EDM)和电化学抛光(ECP)去除表面变形层而制备。ECP工艺在偏压为23 V的A3电解液(Struers)中进行。在ABB工业机器人平台(IRB 6660)上使用球形碳化钨锤头(FORGEfix)进行RHP工艺。锤头直径为4mm,在SS304L和NBSC超合金试样的驱动压力分别为4巴和6巴。在此过程中,锤头的纵向进给速度为1000mm/min,横向跨距在0.1-2.0mm范围内变化。分别使用台阶轮廓仪和X射线衍射仪(XRD)对RHP诱发的SS304L合金表面塑性变形和材料结构演变进行表征,包括SS304L中的γ-α’相变和NBSC超合金中的晶体重取向。XRD系统(Bruker-D8)配有Cu-Kα X 射线管和通用面积检测器,具有对晶相结构高度敏感的优点。它在通过极图测量确定晶体取向方面也非常精确。

结语
RHP工艺的优点是可与增材材料制造和/或其他可局域化的金属部件表面强化处理技术集成。表面层中RHP诱发的塑性变形机制可以通过工艺设计和/或系统集成进行调整。工艺参数不仅对奥氏体不锈钢塑性变形的空间分布有重要影响,而且对奥氏体不锈钢的γ-至-α相变也有重要影响。研究表明,SS304L的抗腐蚀性得到了RHP增强,这归因于其表面的平滑效果。对于单晶超合金,RHP工艺不仅可以用于表面增强,而且可以用于表面晶向调整。该发现可被开发为一种基于单晶超合金的金属部件进行增材制造(例如,单个涡轮叶片的维修)经济高效的工艺。
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