航空发动机薄壁叶片激光等离子体冲击超高应变率变形机理

Blade fatigue fracture is one of the major forms of the aeroengine heart failures in aviation, and it has seriously impacted the aeroengine's safety and reliability. In order to solve the problem, the intensification theory and technology of inducing plasma shockwave by laser became a hotly researched topic at home and abroad from 1990s. As to the thin blade of high-powered aeroengine,the shockwave reflects at the two sides of the blade and form complicated coupling of multiple waves, which will lead to the deformation of the blade and asymmetrical redisual stress, which can't meet the use requirement and even result in its performance degradation. In this project，taken the thin titanium alloy balde of a certain kind aeroengine as the research material, a constitutive model with high strain rate under shockwave is established by experiments and simulation, and the material's constitutive model parameters under high pressure and ultra high strain rate are confirmed by reverse and optimization methods.Moreover,the research results also include the shockwave propagation pattern,the distribution character of the residual stress field and deformation mechanism of thin blade.The project solves the problem of material's dynamic parameters acquisition under high pressure and high strain rate, and realizes the residual stress field optimization and deformation control of thin blades under the shock wave, which lays the theoretical applied technology foundation for the application of laser shock peening on thin components.

叶片疲劳断裂是航空发动机故障的主要形式之一，严重影响其安全可靠性。激光诱导等离子体冲击波对金属材料超高应变率强化，是解决构件疲劳断裂故障的重要措施，成为20世纪90年代以来国内外研究热点。但对于高推重比航空发动机薄壁叶片，由于缺乏对冲击波复杂耦合作用下材料超高应变率动态响应和薄壁叶片中弹塑性应力波传播规律的深刻理解，无法实现叶片变形控制和残余应力场优化，导致其抗疲劳性能下降。本项目以钛合金薄壁叶片为研究对象，构建冲击波作用下钛合金超高应变率本构模型，以探究冲击波在薄壁叶片中的传播规律和叶片变形机理为核心，采用理论研究、实验测试和数值仿真相结合的方法，解决激光等离子体冲击载荷下超高应变率本构模型的不足和动态力学性能参数难以直接获取等问题，实现薄壁叶片变形控制和残余应力场优化，为研究冲击载荷条件下薄壁结构的动力学响应奠定理论基础，为激光冲击强化在薄壁叶片中的应用提供技术支持。

航空发动机叶片在工作过程中容易出现外物打伤，形成缺口，显著降低疲劳强度，严重影响飞行安全。在不改变叶片结构和设计的条件下提高其疲劳强度，对保证安全性和可靠性具有重要意义。本项目针对钛合金薄叶片激光冲击强化过程中的变形难题，构建冲击波作用下钛合金超高应变率本构模型，探究薄壁叶片内部弹塑性应力波传播规律和叶片变形机理，采用理论研究、试验测试和数值仿真相结合的方法，研究揭示冲击载荷条件下钛合金薄壁结构的动力学响应。.主要开展三个方面的研究，一是根据冲击载荷下钛合金变形特点构建钛合金超高应变率本构模型；二是基于模型辨识钛合金材料超高应变率本构模型参数；三是冲击载荷下钛合金薄壁叶片中弹塑性应力波传播特性与实验验证。.对钛合金试件进行不同工艺参数条件下的激光冲击，研究了强化前后材料的微观组织和变形机理。揭示了激光冲击诱导高层错能钛合金材料表面微观组织变化的规律：冲击波诱导金属发生高应变率塑性变形，当冲击波压力大于一定阈值时，在冲击波波阵面位错均匀成核，多次冲击，位错快速运动形成纳米晶，材料表层微观组织和晶粒大小呈梯度分布，这与冲击波传播过程和压力衰减基本保持一致。根据材料的动态响应特性，考虑高应变率下的硬化率降低效应和流体应力限制因素，提出了基于Khan-Huang-Liang的修正模型，采用指数关系描述应变硬化效应，并构造应变率多项式，实现应变硬化效应与应变率硬化效应的耦合。基于有限元模型，将不同应变率条件下的应力-应变实验数据和激光冲击条件下的残余应力场作为优化目标，采用L-M算法，辨识了模型的参数，并与试验进行了对比，其精度满足要求。建立了不同厚度条件下，激光冲击钛合金薄试件的仿真计算模型，获得了不同冲击方式下激光诱导冲击波在叶片内部传播、衰减、反射及其耦合规律。.项目研究有关成果获航空学会技术发明一等奖1项、国家技术发明二等奖1项；申请发明专利4项，发表学术论文24篇，SCI检索10篇，EI检索21篇；培养博士研究生2人，硕士研究生3人。.项目的研究为激光冲击金属材料模型的建立和参数的获取提供了一种方法，可以比较准确的描述纳秒脉冲激光诱导冲击波作用条件下，材料的高应变率动态响应过程，并预测材料内部的残余应力分布，为钛合金材料构件的激光冲击工艺优化奠定良好的基础，为激光冲击强化技术在叶片抗疲劳、抗打伤等方面的应用提供理论基础和技术支持。