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Experimental Investigation of Controlled Single and Multiple Impacts of Shot Peening on Titanium Ti-6A1-4V Alloy, 300M Steel and Aluminium Alloy 7050-T7451

Mohit Singhal

Master's thesis (2022)

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Abstract

During the shot peening process, multiple spherical shots impact the component surface athigh speeds causing plastic deformation of the component surface. This plastic deformationintroduces beneficial sub-surface compressive residual stresses into the material and, in somecases, increases sub-surface hardness due to sub-surface microstructure evolution, improvingfatigue life and wear resistance. The shot peening process is governed by a number of importantparameters that determine the shot peening output. To better understand the shotpeening process and peening results on different materials, it is critical to study the effect ofindividual process parameters for different target materials.Using a single-shot peening cannon, the effect of individual shot peening parameters suchas shot velocity, shot diameter, angle of impact, and material properties on indentationdiameter, indentation depth, and change in the coefficient of restitution (CoR) value aftera single and three impacts on aerospace alloys is investigated. The research focus on threedifferent alloys: Titanium Ti-6Al-4V Alloy, 300M Steel (supplied by SAFRAN Tech.) andAluminum Alloy 7050-T7451.The shot velocity and size, the angle of impact, and the target material characteristics areall relevant parameters, according to the literature. To shot peen the samples, 1.19 mm and2.5 mm stainless steel 440 HRC shot sizes were chosen. During the shot peening procedure,a cannon pressure ranging from 0.013 MPa to 0.55 MPa was used. For the experimentalanalysis, three impact angles of 0°, 15°, and 30° were chosen. Two high-resolution highspeedcameras were utilised to analyse the shot's 3D trajectory. High-resolution cameraswere used to measure the impact and rebound velocity of the impacting shot.The study's main conclusions are that increasing cannon pressure causes an inverse exponentialincrease in impact velocity. The mean velocity increases from 16.4 m/s to 82.1 m/sfor the shot diameter of 2.5 mm and 9.7 m/s to 57.7 m/s for the shot diameter of 1.19 mmwhen the pressure is increased from 0.01 MPa to 0.55 MPa. The true impacting angle variedbetween +14° for 0° target angle, ± 8° for 15° target angle and ±4° for 30° target angle.Indentation diameter and depth are influenced by shot size diameter and shot impactingvelocity.In the case of shot-target interaction of 2.5 mm shot diameter, the increase in velocity from16.4 m/s to 82.1 m/s results in increasing mean diameter of indentation in Titanium Ti-6Al-4V Alloy from 522.83 μm to 1073.3 μm which is only 183.12 μm to 432 μm with 1.19 mmshot. Similarly, for 300M Steel, the mean diameter increases from 465 μm to 1023.3 μm for 2.5 shot diameter and 181.4 μm to 416.83 μm for 1.19 mm shot diameter. Aluminum Alloy7050-T7451 observed a significantly higher change in mean indentation diameter i.e. 619.83μm to 1403.6 μm for shot diameter 2.5 mm and 233.66 μm to 578.6 μm for shot diameter1.19 mm. To verify the diameter of the indentation, the results were further analysed andcompared with the other two techniques such as Contour GT analysis and conventionalpolishing analysis. The test sample shot peened at 0.06 MPa and 0.27 MPa with 2.5 mmhas been used for the analysis. It is observed that in measuring indentation diameter, themaximum error with cutting sample technique was 25 % while using contour GT analysisthe maximum error could be 15 %.Shot velocity, shot size, incident impacting angle and the number of impacts all had animpact on the CoR value, which was measured and compared. To summarise, the diameterof the shot has no effect on the CoR value, however the impact angle, shot velocity, andthe number of impacts all has an effect on the CoR value. The CoR value ranges from 0.30to 0.89. The CoR value increases as the number of impacts in the same region increases.The indentation diameter increases as the impacting velocity increases and the shot diameterincreases from 1.19 mm to 2.5 mm. The impact velocity varies less than ±5 m/s for a givenimpact pressure.

Résumé

Pendant le processus de grenaillage, plusieurs coups sphériques impactent la surface du composantà des vitesses élevées provoquant une déformation plastique de la surface du composant.Cette déformation plastique introduit des contraintes résiduelles de compressionbénéfiques sous la surface dans le matériau et, dans certains cas, augmente la dureté sousla surface en raison de l'évolution de la microstructure sous la surface, améliorant durée devie et résistance à l'usure. Le processus de grenaillage est régi par un certain nombre d'imparamètresimportants qui déterminent le rendement de grenaillage. Pour mieux comprendrele coup processus de grenaillage et résultats de grenaillage sur différents matériaux, il estessentiel d'étudier l'effet de paramètres de processus individuels pour différents matériauxcibles. En utilisant un canon de grenaillage à un seul coup, l'effet des paramètres de grenaillageindividuels tels que comme la vitesse de tir, le diamètre de tir, l'angle d'impact et lespropriétés du matériau sur l'indentation diamètre, profondeur d'indentation et changementde la valeur du coefficient de restitution (CoR) après un et trois impacts sur les alliagesaérospatiaux sont étudiés. La recherche porte sur trois différents alliages : alliage Titane Ti-6Al-4V, acier 300 M (fourni par SAFRAN Tech.) et Alliage d'aluminium AA 7050-T7451.La vitesse et la taille du tir, l'angle d'impact et les qualités du matériau cible sont tousparamètres pertinents, selon la littérature. Pour grenailler les échantillons, 1,19 mm et Destailles de grenailles de 2,5 mm en acier inoxydable 440 HRC ont été choisies. Au cours dela procédure de grenaillage, une pression de canon allant de 0,013 MPa à 0,55 MPa a étéutilisée. Pour l'expérimentation analyse, trois angles d'impact de 0°, 15° et 30° ont été choisis.Deux haute résolution des radars ont été utilisés pour analyser la trajectoire 3D du tir.Caméras haute résolution ont été utilisés pour mesurer l'impact et la vitesse de rebond du tirimpactant. Les principales conclusions de l'étude sont que l'augmentation de la pression descanons entraîne une exposition inverse. augmentation essentielle de la vitesse d'impact. Lavitesse moyenne passe de 16,4 m/s à 82,1 m/s pour le diamètre de grenaille de 2,5 mm et 9,7m/s à 57,7 m/s pour le diamètre de grenaille de 1,19 mm lorsque la pression est augmentéede 0,01 MPa à 0,55 MPa. L'angle d'impact réel variait entre +14° pour un angle cible de0°, ± 8° pour un angle cible de 15° et ±4° pour un angle cible de 30°. Le diamètre et laprofondeur d'indentation sont influencés par le diamètre de la taille de la grenaille et l'impactde la grenaille rapidité. Dans le cas d'une interaction tir-cible d'un diamètre de tir de 2,5 mm,l'augmentation de la vitesse de 16,4 m/s à 82,1 m/s entraîne une augmentation du diamètremoyen de l'indentation dans le titane Ti-6Al-4V de 522,83 μm à 1073,3 μm soit seulement183,12 μm à 432 μm avec 1,19 coup de mm. De même, pour l'acier 300M, le diamètre moyen passe de 465 μm à 1023,3 μm viii pour un diamètre de grenaille de 2,5 et de 181,4 μm à416,83 μm pour un diamètre de grenaille de 1,19 mm. Aluminium L'alliage AA7050 T-7451a observé un changement significativement plus élevé du diamètre d'indentation moyen soit619,83 μm à 1403,6 μm pour un diamètre de grenaille de 2,5 mm et 233,66 μm à 578,6 μmpour diamètre de tir 1,19 mm. Pour vérifier le diamètre de l'indentation, les résultats ontété en outre analysés et comparés avec les deux autres techniques telles que l'analyse descontours GT et analyse de polissage conventionnelle. L'échantillon d'essai grenaillé à 0,06MPa et 0,27 MPa avec 2,5 mm a été utilisé pour l'analyse. On observe qu'en mesurantl'indentation diamètre, l'erreur maximale avec la technique de l'échantillon de coupe est de25 % lors de l'utilisation du contour GT analyse, l'erreur maximale pourrait être de 15%. Lediamètre de tir, les angles d'impact de l'incident, les vitesses de tir et le nombre d'impactsont tous eu un impact sur la valeur du coefficient de restitution (CoR), qui a été mesuré etcomparé. Pour résumer, le diamètre du tir n'a pas d'effet sur la valeur du CoR, cependantl'impact l'angle, la vitesse de tir et le nombre d'impacts ont tous un effet sur la valeur CoR.Le CdR la valeur varie de 0,30 à 0,89. La valeur du CoR augmente avec le nombre d'impactsdans le même région augmente. Le diamètre d'indentation augmente à mesure que la vitessed'impact augmente et le diamètre de la grenaille passe de 1,19 mm à 2,5 mm. La vitessed'impact varie moins inférieure à ±5 m/s pour une pression d'impact donnée.
Department: Department of Mechanical Engineering
Program: MR
Academic/Research Directors: Martin Lévesque
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10249/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 19 Sep 2022 10:58
Last Modified: 15 Nov 2022 09:41
Cite in APA 7: Singhal, M. (2022). Experimental Investigation of Controlled Single and Multiple Impacts of Shot Peening on Titanium Ti-6A1-4V Alloy, 300M Steel and Aluminium Alloy 7050-T7451 [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10249/

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