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Machine learning for predicting fatigue properties of additively manufactured materials

Chinese Journal of Aeronautics 2024年第4期37卷 1-22页

作者： Min YI Ming XUE Peihong CONG Yang SONG Haiyang ZHANG Lingfeng WANG liucheng zhou Yinghong LI Wanlin GUO State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China Institute for Frontier Science Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China College of Aerospace Engineering Nanjing University of Aeronautics and AstronauticsNanjing 210016China Shenyang Engine Research Institute Shenyang 110015China Liaoning Key Laboratory of Impact Dynamics on Aero Engine Shenyang 110015China Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory Air Force Engineering UniversityXi’an 710038China

Fatigue properties of materials by Additive Manufacturing(AM) depend on many factors such as AM processing parameter, microstructure, residual stress, surface roughness, porosities, post-treatments, etc. Their evaluation inevitably requires these factors combined as many as possible, thus resulting in low efficiency and high cost. In recent years, their assessment by leveraging the power of Machine Learning(ML) has gained increasing attentions. A comprehensive overview on the state-of-the-art progress of applying ML strategies to predict fatigue properties of AM materials, as well as their dependence on AM processing and post-processing parameters such as laser power, scanning speed, layer height, hatch distance, built direction, post-heat temperature,etc., were presented. A few attempts in employing Feedforward Neural Network(FNN), Convolutional Neural Network(CNN), Adaptive Network-Based Fuzzy Inference System(ANFIS), Support Vector Machine(SVM) and Random Forest(RF) to predict fatigue life and RF to predict fatigue crack growth rate are summarized. The ML models for predicting AM materials' fatigue properties are found intrinsically similar to the commonly used ones, but are modified to involve AM features. Finally, an outlook for challenges(i.e., small dataset, multifarious features,overfitting, low interpretability, and unable extension from AM material data to structure life) and potential solutions for the ML prediction of AM materials' fatigue properties is provided.

关键词： Additive manufacturing Machine learning Fatigue life Fatigue crack growth rate Prediction

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激光冲击强化技术在核电领域的研究进展

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中国表面工程 2024年第1期37卷 41-58页

作者：蔡振兵周龙龙俞延庆方修洋余施佳周留成何卫锋李国杰何艳磊西南交通大学摩擦学研究所成都610031 空军工程大学等离子体动力学重点实验室西安710038 西安天瑞达光电技术股份有限公司西安710077

激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏... 详细信息

激光冲击强化技术属于改善金属性能的重要表面形变强化技术,因其独特的技术优势在航天及船舶领域获得广泛应用。随着科技的发展研发出多种激光冲击强化技术,并逐渐开始在核电装备领域获得应用,然而针对该技术在核电领域的研究进展缺乏系统的综述。先通过介绍不同表面形变强化技术,叙述激光冲击强化技术的发展,阐述激光冲击强化机制,最后综述激光冲击强化技术在核电领域的应用研究进展。总结发现,激光冲击强化技术可有效改善核电领域材料力学、摩擦磨损及腐蚀性能,但传统和添加辅助手段激光冲击强化技术受约束层和吸收层影响较大,无涂激光冲击强化技术对金属易产生热效应,飞秒激光冲击强化影响层浅且强化效果差,不同工艺技术在核电领域提升摩擦磨损性能研究较少。对不同工艺激光冲击强化机理及在核电领域材料不同性能的提升进行深入研究,为进一步提升激光冲击强化技术在核电领域材料的应用提供理论基础,可为核电领域关键装备进行强化、提升核电装备运行寿命提供参考。

关键词：激光强化核电装备摩擦磨损腐蚀极端环境先进制造

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无保护层纳秒脉冲激光强化对DD5单晶合金耐磨性能的影响

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表面技术 2024年第7期53卷 136-145页

作者：史增祥党晓凤罗思海郭嘉琛梁晓晴何卫锋周留成空军工程大学航空工程学院航空等离子体动力学实验室西安710038

目的提高发动机涡轮叶片榫头材料DD5单晶高温合金的高温耐磨性能。方法采用不同能量的无保护层纳秒脉冲激光对DD5单晶合金试样表面进行处理,利用摩擦磨损试验机获得DD5单晶合金在650℃下的摩擦磨损性能参数,并通过显微硬度计、扫描电子... 详细信息

目的提高发动机涡轮叶片榫头材料DD5单晶高温合金的高温耐磨性能。方法采用不同能量的无保护层纳秒脉冲激光对DD5单晶合金试样表面进行处理,利用摩擦磨损试验机获得DD5单晶合金在650℃下的摩擦磨损性能参数,并通过显微硬度计、扫描电子显微镜、能谱仪、共聚焦三维表面轮廓仪对磨损前后的DD5单晶试件进行表征分析,揭示纳秒脉冲激光强化技术提高单晶高温合金耐磨性能的机理。结果采用纳秒脉冲激光处理DD5单晶高温合金后,材料表层发生了重熔现象,并在重熔层中生成了弥散分布的铝的氧化物颗粒,其粒径为5~50nm;纳秒脉冲激光处理后产生的弥散分布的氧化铝颗粒为硬质相,它提升了单晶表面的显微硬度;经纳秒脉冲激光处理后,试样的磨损率降低了19.7%~37.6%,单晶合金的磨损机制以磨粒磨损为主。结论经纳秒脉冲激光处理后,单晶表面生成了含有弥散分布的纳米氧化铝颗粒的重熔层,在它与激光诱导的等离子体冲击波产生的硬化层的共同作用下,提升了镍基单晶高温合金在高温下的耐磨性能。

关键词：镍基单晶高温合金纳秒脉冲激光氧化铝颗粒显微硬度摩擦磨损磨损机制

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Investigations on femtosecond laser-induced surface modification and periodic micropatterning with anti-friction properties on Ti6Al4V titanium alloy

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Chinese Journal of Aeronautics 2022年第4期35卷 521-537页

作者： Xinlei PAN Weifeng HE Zhenbing CAI Xuede WANG Ping LIU Sihai LUO liucheng zhou Science and Technology on Plasma Dynamics Laboratory Air Force Engineering UniversityXi'an 710038China Institute of Aeronautics Engine School of Mechanical EngineeringXi'an Jiao tong UniversityXi'an 710049China Tribology Research Institute Key Lab of Advanced Technologies of MaterialsSouthwest Jiao-tong UniversityChengdu 610031China

Titanium alloys have a wide application in aerospace industries as it has greater strength and low density, but it has poor tribological properties. To improve its friction and wear performance, in present work, a femtosecond laser is used to directly irradiate the Ti6Al4V titanium alloy surface in air conditioning, which results in localized ablation and the formation of periodic microstructures but also a strong pressure wave, propagating the material inside. Through the optimization of processing parameters, surface modification and periodic micropatterning with effective anti-friction properties were successfully induced on the surface. After a treatment of femtosecond laser-induced surface modification(FsLSM), the surface microhardness was improved by 16.6% and compressive residual stress reached-746 MPa. Besides, laser-induced periodic surface structures(LIPSS) with a titanium oxide outer coating were fabricated uniformly on the titanium alloy surface. Rotary ball-on-disk wear experiments revealed that the average coefficient of friction(COF) and wear mass loss of the specimen with Fs LSM treatment were largely reduced by 68.9% and 90% as compared to that of untreated specimens, respectively. It was analyzed that the reason for the remarkable wear resistance was attributed to the comprehensive action of the generation of LIPSS, the titanium oxide outer coating, high amplitude compressive residual stress and gradient grain size distribution on the subsurface during the laser surface treatment. Since the findings here are broadly applicable to a wide spectrum of engineering metals and alloys, the present results offer unique pathways to enhancing the tribological performance of materials.

关键词： Femtosecond laser-induced surface modification Laser-induced periodic surface structures Microstructure Titanium alloys Tribological performance

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Salicylic acid and ethylene signaling pathways are involved in production of rice trypsin proteinase inhibitors induced by the leaf folder Cnaphalocrocis medinalis(Guenée)

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Chinese Science Bulletin 2011年第22期56卷 2351-2358页

作者： WANG Xia HU liucheng zhou GuoXin CHENG JiaAn LOU YongGen National Key Laboratory of Rice Biology Institute of lnsect Science Zhejiang University Hangzhou 310029 China

The roles of signaling pathways in the production of trypsin proteinase inhibitors(TrypPIs)in rice infested by the leaf folder(LF) Cnaphalocrocis medinalis were *** by LF increased TrypPI levels in the leaves of rice plants at the tillering,booting and flowering stages but decreased TrypPI levels at the ripening stage;TrypPI levels in rice stems did not increase at any developmental *** by LF at the tillering stage systemically increased TrypPI levels in leaves but not in stems;it also enhanced salicylic acid(SA)levels in leaves and stems,and the ethylene level released from ***,LF infestation did not increase JA *** application of SA or ethylene enhanced TrypPI levels in the leaves and stems of plants at the tillering stage,whereas treatment with both SA and ethylene induced lower levels of TrypPIs than treatment with SA or ethylene alone,suggesting an antagonistic effect of SA and ethylene on TrypPIs *** results suggest that both SA and ethylene signaling pathways are involved in the production of TrypPIs in rice induced by LF;moreover,the antagonistic effect of SA and ethylene may explain the changes in TrypPI levels seen at different plant developmental stages and in different organs.

关键词：信号转导通路水稻植株稻纵卷叶螟胰蛋白酶制剂生产水杨酸乙烯诱导

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Effect of Laser Shock Processing on High Cycle Fatigue Properties of 1Cr11Ni2W2MoV Stainless Steel

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稀有金属材料与工程 2011年第S4期40卷 174-177页

作者： zhou Lei,He Weifeng,Wang Xede,zhou liucheng,Li Qipeng Engineering Institute of Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China AF Engn Univ Sci & Technol Plasma Dynam Lab Engn Inst Xian 710038 Peoples R China

By means of laser shock processing (LSP) treatment,a nanostructured surface layer was formed on 1Cr11Ni2W2MoV stainless *** contrastive high cycle fatigue tests were carried out in 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel before and after LSP *** experimental data was analyzed by mathematical statistics method and the influence mechanism of fatigue properties affected by LSP treatment was also *** results indicate that LSP treatment can improve the high cycle fatigue life of 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel *** ultra-fine grained surface layer with residual compressive stress and nanostructured surface layer make great contributions to the improvement in fatigue properties of 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel.

关键词： laser shock processing 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel high cycle fatigue properties

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激光冲击波加载金属材料中心压应力缺失效应

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红外与激光工程 2014年第11期43卷 3521-3526页

作者：王波陈东林周留成何卫锋空军工程大学航空航天工程学院陕西西安710038

纳秒脉冲、千兆瓦级激光辐照金属材料产生高压等离子体冲击波,作用于金属材料表面并向内传播,产生残余压应力场。但在单次冲击加载时,残余压应力场中心出现的残余压应力值小于加载边缘,应用理论分析和实验测试的方法解释了这一过程,并... 详细信息

纳秒脉冲、千兆瓦级激光辐照金属材料产生高压等离子体冲击波,作用于金属材料表面并向内传播,产生残余压应力场。但在单次冲击加载时,残余压应力场中心出现的残余压应力值小于加载边缘,应用理论分析和实验测试的方法解释了这一过程,并结合激光诱导冲击波Fabbro方程和TC4钛合金动态响应模型,建立了不同形式冲击波加载TC4钛合金的数值仿真模型,分析了冲击波压力、作用时间和加载形式对中心压应力缺失的影响。

关键词：强激光冲击波残余压应力缺失数值计算

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超音速激光沉积制备7075/Al_(2)O_(3)复合涂层的显微组织及性能研究

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稀有金属材料与工程 2023年第4期52卷 1403-1409页

作者：王强李楠周留成东方刘鑫牛文娟胡宁西安建筑科技大学冶金工程学院陕西西安710055 陕西省冶金工程技术研究中心陕西西安710055 空军工程大学航空等离子体动力学国家级重点实验室陕西西安710038 新疆油田分公司实验检测研究院新疆克拉玛依834000 中国特种设备检测研究院特种设备安全与节能国家市场监管重点实验室北京100029

超音速激光沉积是将超音速冷喷涂和激光辐照加热有机结合的一种新型复合材料表面处理技术,具有可制备硬质金属复合涂层、沉积效率高等优点。本工作利用超音速激光沉积技术在7B04铝合金基体上制备硬质铝合金7075与陶瓷颗粒Al_(2)O_(3)的... 详细信息

超音速激光沉积是将超音速冷喷涂和激光辐照加热有机结合的一种新型复合材料表面处理技术,具有可制备硬质金属复合涂层、沉积效率高等优点。本工作利用超音速激光沉积技术在7B04铝合金基体上制备硬质铝合金7075与陶瓷颗粒Al_(2)O_(3)的复合涂层,系统研究激光功率对涂层的沉积特性和力学性能的影响规律。采用场发射电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和显微硬度计等仪器,对涂层的显微组织、相成分和显微硬度进行表征分析,结果表明:随着激光功率的增加,涂层的厚度、致密度、沉积效率、硬度以及涂层中Al_(2)O_(3)颗粒的分散性和相对沉积效率逐渐增加。当激光功率为600 W时,涂层的沉积厚度达1543μm,孔隙率为0.05%,涂层中Al_(2)O_(3)粉末颗粒的相对沉积效率达到峰值65%,HV硬度达到1911 MPa。当激光功率提升至900 W时,涂层的厚度、沉积效率增速放缓,孔隙率显著增加,涂层发生氧化相变,Al_(2)O_(3)粉末的相对沉积效率和涂层的硬度下降明显。因而,适当激光辐照的引入有利于提高铝合金颗粒在沉积过程中的塑性变形能力,显著改善涂层的质量。然而,当激光功率过高时,铝合金颗粒的软化现象加剧,且易发生氧化相变,导致涂层的质量下降。

关键词：超音速激光沉积 7075/Al_(2)O_(3)复合涂层沉积效率显微组织硬度

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斜激光冲击对航空发动机风扇轴弯曲疲劳性能的影响

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红外与激光工程 2015年第12期44卷 3548-3553页

作者：沈晓骏汪诚安志斌周留成赖志林王冠空军工程大学等离子体动力学重点实验室陕西西安710038

采用激光斜入方法对航空发动机扇轴转接圆角部位进行激光冲击强化试验。分析了斜冲击机理及方法,计算优化斜激光冲击强化试验参数,对冲击前后试件的显微硬度、残余应力进行对比分析,并进行旋转了弯曲疲劳对比验证试验。其结果表明,风扇... 详细信息

采用激光斜入方法对航空发动机扇轴转接圆角部位进行激光冲击强化试验。分析了斜冲击机理及方法,计算优化斜激光冲击强化试验参数,对冲击前后试件的显微硬度、残余应力进行对比分析,并进行旋转了弯曲疲劳对比验证试验。其结果表明,风扇轴经过激光斜冲击强化后,表面显微硬度提高了11%,残余应力不均匀性得到改善,旋转弯曲疲劳寿命提高了160%;断口观察分析可知,激光冲击强化可以使疲劳源位置内移,降低裂纹扩展速率,从而提高试件的疲劳性能。

关键词：风扇轴圆角激光斜冲击残余应力旋转弯曲疲劳试验

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无保护层激光冲击提高K24合金高周疲劳性能研究

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中国激光 2015年第10期42卷 65-71页

作者：焦阳何卫锋罗思海周留成李应红空军工程大学等离子体动力学重点实验室陕西西安710038

针对K24镍基铸造合金材料表面粗糙度大引起吸收保护层贴合不紧密的问题,提出采用无保护层激光冲击(LSPw C)方法对K24合金进行强化,利用高周疲劳实验验证其强化效果,并从残余应力、微观组织方面讨论疲劳性能改善机理。实验结果表明:相对... 详细信息

针对K24镍基铸造合金材料表面粗糙度大引起吸收保护层贴合不紧密的问题,提出采用无保护层激光冲击(LSPw C)方法对K24合金进行强化,利用高周疲劳实验验证其强化效果,并从残余应力、微观组织方面讨论疲劳性能改善机理。实验结果表明:相对于原始叶片,LSPw C后的模拟叶片的疲劳强度提高16%,保温后疲劳强度提高11%。LSPw C在试样表层诱导产生高幅值残余压应力和高密度位错,从而提高模拟叶片的疲劳性能;保温后,大部分残余压应力发生松弛,位错结构具有较好的热稳定性,这是保温后模拟叶片疲劳性能提高的主要原因。

关键词：激光技术高周疲劳无保护层激光冲击强化 K24合金微观组织残余压应力

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