激光喷丸强化IN718镍基合金高温疲劳性能的数值模拟及试验研究

摘要

激光喷丸强化技术（Laser peening, LP）利用高功率激光束与材料相互作用引起材料表面剧烈塑性形变，从而获得稳定的残余压应力分布和晶粒细化效果。因此，激光喷丸能够有效地抑制裂纹的萌生和降低疲劳裂纹的扩展速率，从而提高关键零部件的服役寿命。本文针对航空航天发动机热端零部件亟须解决的高温疲劳失效问题，以IN718镍基合金为研究对象，通过数值模拟和试验研究相结合的方法，分析激光喷丸后孔周残余应力的奇异特性及其热力松弛行为，探索激光喷丸强化的高温疲劳延寿机理，最终实现激光喷丸后材料高温疲劳寿命的合理预测。主要研究内容如下： （1）从蠕变损伤、疲劳损伤和氧化角度，分析材料的高温疲劳失效机制；以材料的弹塑性力学为基础，对激光喷丸诱导的残余应力场进行估算，分析高应变率下材料的动态响应机制；探索激光喷丸诱导的残余应力在高温交变载荷条件下的松弛行为，并推导残余应力热力松弛估算模型；根据蠕变力学和断裂力学相关理论，对激光喷丸后材料的高温疲劳寿命估算公式进行推导。 （2）开展激光喷丸强化试验及其相应的数值模拟研究，分析激光喷丸强化后IN718合金单联中心孔试样孔周材料表面残余应力场的奇异特性。由于激光喷丸在孔周诱导的残余应力具有各向异性，选用残余最小主应力表征激光喷丸强化效果。探索激光喷丸强化后在小孔附近出现典型“残余压应力环”的产生机理，研究不同激光功率密度下，“残余压应力环”出现位置与孔壁距离的相互关系。 （3）选取典型试样进行高温拉伸试验，研究不同温度服役环境下IN718合金的力学性能。在此基础上，开展激光喷丸强化单联中心孔试样的高温疲劳试验和数值模拟研究，建立试样整体疲劳寿命与各个危险节点之间的函数关系模型，提出激光喷丸强化后试样高温疲劳寿命的预测方法。结果表明，高温环境下激光喷丸工艺提高材料抗疲劳性能的增益效果有所弱化，而且随着温度上升，强化效果越不显著，高温疲劳断口形貌SEM分析表明，不同温度下试样疲劳裂纹的扩展方式有所区别。

目录

第一个书签之前