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金屬的增材制造(AM)經常導致具有不利機械性能的部件。激光沖擊(LP)是一種高應變率機械表面處理,可錘擊工件并產生有利的機械性能。沖擊應變使表面硬化并賦予壓縮殘余應力,從而改善材料的機械性能。本文中來自股神巴菲特(Warren Buffett)的母校內布拉斯加林肯大學(USA)機械和材料工程學院的G. Madireddy博士研究了LP在使用有限元分析的3D打印金屬的逐層處理中的作用。
目的是了解由循環耦合印刷和噴丸引起的熱和機械消除后的時間和空間殘余應力發展。結果表明,層沖擊頻率是影響殘余應力重新分布的關鍵工藝參數,并且與印刷過程產生的熱量高度相互依賴。發現存在有利地增強機械性能的最佳混合工藝條件。通過這項研究,hybrid-AM迎來了AM的下一個發展步驟,并有可能徹底改變高價值金屬制品的生產方式。
激光沖擊強化(Laser Peening , LP)技術,也稱激光噴丸技術。是采用高功率密度(GW/cm量級)、短脈沖(10~30ns量級)的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時,涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫(>10 K)、高壓(>1GPa)等離子體。該等離子體繼續吸收激光能量急劇升溫膨脹,然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態屈服強度時,材料發生塑性變形并在表層產生垂直于材料表面的壓應力。
激光作用結束后,由于沖擊區域周圍材料的反作用,其力學效應表現為材料表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平,使平均應力水平下降,從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在,可引起裂紋的閉合效應,從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅動力,延長疲勞裂紋擴展壽命。
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