高温钛合金激光冲击强化层热稳定性研究

Laser shock peening (LSP) is one of the rapid developing surface strengthening technology in recent years, which has been widely used in the metallic materials. This project intends to take the near α high-temperature titanium alloy as the research object. The titanium alloys with different initial microstructures will be processed by LSP, and then the microstructure response in the strengthen layer of the alloy will be analyzed. Based on the microstructure analysis, the deformation mechanism of the alloy under super-high strain rate as well as the strengthen mechanism of the LSP will be clarified. The oxidation kinetics will be investigated in the range of using temperatures. The diffusion behavior of oxygen in the strengthen layer will be discussed, and then the physical model of oxidation mechanism will be established. The thermal stability of the microstructure of strengthen layer will be studied by using TEM and EBSD, and then analyzed with stereology method. The relaxation of residual stress of strengthen layer will be analyzed by X-ray diffraction. The relationship of microstructures and residual stress will be discussed. The results of the project will offer theoretical for the further application of laser shock peening in high-temperature titanium alloys.

激光冲击强化技术是近年来获得快速发展的一种表面改性技术，已广泛的应用于金属材料的表面改性。本项目以航空发动机用高温钛合金为应用背景，针对激光冲击高温钛合金强化层热稳定性这一问题，以近α型Ti834合金为研究对象，研究激光冲击作用下材料强化层微观组织结构的演变过程，揭示典型组织钛合金在超高应变速率下的塑性变形机理。采用连续氧化增重法研究材料的氧化动力学，探讨氧在强化层中的扩散行为，建立材料表面氧化机理物理模型；采用透射电子显微镜、电子背散射衍射、体视学及定量金相学等定量分析强化层在高温热暴露前后微观组织结构特征参数，揭示强化层微观组织演变过程及其机理；采用X射线衍射技术研究高温环境下材料表面残余应力的松弛规律，并采集对应状态下强化层微观组织特征参数，构建微观组织特征参数与残余应力之间的定量关系模型，进而揭示残余应力松弛微观机理，最终为激光冲击强化技术在高温钛合金领域的应用提供理论指导。

激光冲击强化技术是近年来获得快速发展的一种表面改性技术，其通过在材料近表面形成一定深度的强化层来显著提高材料的疲劳寿命。针对高温钛合金，因其在服役过程中温度较高，故激光冲击强化层在高温环境下的热稳定性至关重要，它是决定该技术能否成功应用的关键。.本项目通过研究典型组织高温钛合金强化层微观组织结构演变过程及其机理、激光冲击强化层高温氧化行为及其机理、激光冲击强化层微观组织稳定性、残余应力松弛规律等，揭示了强化层的微观组织演变机理、激光冲击对合金性能及残余应力分布的影响规律以及残余应力松弛机理等，可为激光冲击技术在高温钛合金方面的应用提供理论基础，推动激光冲击技术在钛合金领域的应用。.本项目取得的重要结果如下： .（1）激光冲击处理显著提高材料近表面的显微硬度，随着冲击次数的增加，显微硬度峰值和塑性变形层深度增加。.（2）随激光冲击次数的增加，Ti834合金塑性变形层内残余压应力增加，且三种组织状态合金的最大残余压应力均位于试样次表层；.（3）随着距离强化层表面深度的增加，显微组织呈现出不同的特征形貌，主要包括包括有多边形亚结构，位错胞，高密度位错墙，格栅状形变孪晶，位错阵列，位错缠结和位错线。.（4）激光冲击诱导Ti834合金表层位错密度提升使得成膜元素的扩散加快，合金的氧化周期变短，加速了稳态氧化膜的生成。激光冲击波诱导形成大量晶体缺陷为氧元素提供了扩散通道，同时有助于其在β相界处优先形核并生长成TiO2氧化物；.（5）激光冲击强化处理的Ti834合金，在600℃高温热暴露过程中，随着保温时间的延长强化层中的位错密度显著减少，经90min的保温后，基体中仍残留一定的位错，在α相中形成的平行排列的变形带稳定存在。.（6）Ti834合金激光冲击强化层中形成的残余应力在600℃下会发生热松弛。随着保温时间的延长，晶粒中的位错进行重新分布，位错密度减小，应力降低。