基于強脈沖電流金屬材料裂紋止裂及愈合技術研究.pdf

1、再制造工程作為一項戰(zhàn)略型新興產業(yè)不僅能夠節(jié)省資源、能源，保護環(huán)境，而且具有顯著的經濟效益。再制造毛坯損傷形式復雜多樣，其中裂紋損傷所占比重很大，在以往的再制造過程中，無論什么形式的裂紋損傷一經被檢測出來直接報廢，因此，金屬材料裂紋止裂與損傷愈合技術是機械裝備再制造領域急需解決的關鍵問題之一，尤其對于含有裂紋損傷的高附加值機械裝備（如工程機械、船舶、飛機、大型壓縮機）的核心部件實施再制造時，首先要修復裂紋損傷才能保證后續(xù)再制造工藝的有效性

2、。脈沖電流由于其自身的一些特性被應用于材料制各及物理機械性能改善領域。關于脈沖電流裂紋止裂、愈合技術，目前國內外缺少系統(tǒng)的理論分析和實驗研究。本文圍繞脈沖電流的繞流效應和焦耳熱效應在裂紋止裂、愈合中的應用，從理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬三個角度開展研究工作。本文的主要研究內容和研究成果如下:
　　(1)基于復變函數(shù)理論，建立脈沖電流裂紋止裂過程理論模型。根據(jù)自由邊界處電流密度為零的邊界條件，將帶有貫穿橢圓形切口的無限大薄板中通入電

3、流問題的求解過程劃分為無橢圓孔和存在橢圓孔擾動兩種狀態(tài)的疊加，簡化了裂紋邊界條件處理過程。當橢圓孔短軸趨于零時，可以將其近似看作裂紋，電流密度、焦耳熱源功率和熱應力在裂紋尖端具有奇異性，仿照斷裂力學中應力強度因子概念，引入強度因子的概念描述裂紋尖端附近區(qū)域電、熱、熱應力場，為設計實驗方案和選擇工藝參數(shù)提供理論基礎。
　　(2)基于脈沖功率技術，自行設計并搭建強脈沖電流放電裝置HCPD-I。通過對電容器放電回路的分析，確定實驗研究的

4、工藝參數(shù)為電容量和電容充電電壓;增加電容量能夠提高回路電流密度和延長脈沖電流作用時間;增大電容充電電壓只能夠提高回路電流密度。
　　(3)選用工業(yè)中應用廣泛的AISI316L和壓縮機轉子葉輪材料Inconel625和FV520B為研究對象，通過實驗研究材料種類、試樣尺寸和工藝參數(shù)對裂紋尖端熔化區(qū)尺寸和微觀組織的影響規(guī)律，探討利用脈沖進行裂紋止裂的機理。脈沖電流處理過程，由于兩裂紋面間距較大電流無法通過，電流在裂紋前端繞流集中，在焦

5、耳熱作用下，裂紋尖端局部溫度升高甚至瞬間熔化，裂紋尖端曲率半徑增大，改善了裂紋前端的應力集中狀態(tài)。由于脈沖電流作用時間非常短暫，裂紋前端在快速加熱和冷卻作用下，熔化區(qū)周圍局部組織發(fā)生固態(tài)相變，組織均勻細化。而遠離裂紋尖端的基體電流密度相對較低，焦耳熱作用不明顯，表明脈沖電流具有選擇作用，對無裂紋部位影響很小。
　　(4)采用拉伸方式預制裂紋的尖端組織發(fā)生嚴重的塑性變形，沿著拉力軸線方向呈纖維狀分布。以AISI316L材料為例探討脈

6、沖電流裂紋止裂同時，對裂紋尖端局部塑性變形區(qū)的恢復機理。利用掃描電鏡和透射電鏡分析脈沖電流處理前后裂紋尖端形貌、顯微組織和位錯形態(tài)的變化，研究結果表明，脈沖電流處理后，尖銳的裂紋尖端變?yōu)闄E圓形熔孔，裂紋尖端曲率半徑增大，降低了裂紋尖端的應力集中，并且裂紋前端局部發(fā)生再結晶，形成細小等軸晶粒，局部塑性變形組織發(fā)生恢復。
　　(5)采用鉆孔壓縮法預制內部微裂紋，初步探索脈沖電流用于裂紋愈合的可行性。分析工藝參數(shù)和脈沖電流處理次數(shù)對裂紋

7、愈合效果的作用規(guī)律，并從能量的角度探討脈沖電流作用對微裂紋愈合的機理。脈沖電流處理過程，在繞流集中和焦耳熱效應的作用下，裂紋周圍形成壓應力，使裂紋面間距變窄，裂紋周圍原子在電流作用下向缺陷部位移動填充，將長裂紋分隔成斷續(xù)短裂紋，短裂紋在愈合過程產生孔洞，孔洞尺寸縮小，數(shù)量減少，直至裂紋全部愈合。小工藝參數(shù)、多次處理更有利于延長裂紋愈合區(qū)域尺寸，提高愈合效率。
　　(6)分析裂紋尖端形貌和微觀組織對力學性能演變趨勢的影響。納米壓痕硬

8、度測量結果表明，脈沖電流處理后裂紋前端熱影響區(qū)硬度高于基體。X射線殘余應力分析結果表明，脈沖電流處理后裂紋前端產生了強大的壓應力。脈沖電流處理后，AISI316L、Inconel625和FV520B三種材料的抗拉強度均呈現(xiàn)不同程度的提高，而延伸率變化趨勢各異，脈沖電流對塑性的影響與材料種類有關。研究工藝參數(shù)對拉伸性能和疲勞性能的作用規(guī)律，增大放電回路的電容量和電容充電電壓均可以擴大裂紋尖端的熔化區(qū)面積，但裂紋尖端熔化區(qū)尺寸過大反而會降低

9、其力學性能。通過建立熔化區(qū)尺寸與拉伸性能和疲勞性能關系曲線，確定本實驗條件下裂紋止裂效果最佳的熔化區(qū)尺寸區(qū)間。含有拉伸裂紋的試樣經過脈沖電流處理后，拉伸性能和疲勞性能均得到改善。尖銳的裂紋尖端變鈍，降低了裂紋尖端的應力集中，尤其是裂紋前端局部塑性變形恢復，組織細化、位錯密度增大是提高拉伸裂紋力學性能的主要原因。
　　(7)基于電-熱-結構耦合理論，應用ANSYS有限元分析軟件直觀展示脈沖電流處理過程電流在裂紋前端繞流集中和焦耳熱釋