损伤关键件的激光热力复合再制造技术及强化机理研究

航空关键件发生局部损伤或失效后，其他部分往往还有很大的承载能力，采用先进的表面技术修复损伤关键件，延长损伤关键件服役寿命及提高其可靠性，已经成为机械构件再制造工程中的核心科学问题之一。本项目拟以典型损伤航空关键件(发动机叶片[Ti-6Al-4V]和坦克扭力轴[45CrNiMoVA])为对象，采用激光热力复合再制造技术，即先用激光熔覆对超过极限尺寸(或有较大裂纹)的损伤关键件进行修复、恢复尺寸，然后对修复区域进行局部激光冲击强化处理，研究激光热力复合再制造的热力学基础、修复层温度场分布、复合再制造工艺参数匹配、基体与修复层以及修复层间结合机制、再制造损伤关键件的机械性能(残余应力、微观硬度和疲劳寿命)、典型损伤件的激光热力复合再制造微观结构演变规律，建立工艺参数-修复层微观结构-修复层性能之间的关系模型，探索激光热力复合再制造的微观强化机理，为损伤关键件的再制造工艺和理论等方面提供科学依据。

采用激光热效应对损伤零件进行修复，然后激光冲击波强化修复区域细化晶粒、消除残余拉应力是一种新型的复合再制造技术。本项目拟以典型损伤航空关键件为对象，采用激光热力复合再制造技术，项目主要取得了以下进展：.(1) 以某重载车辆风扇联动齿轮的制造材料45钢为研究对象，采用激光熔覆/激光冲击-复合再制造拉伸试样，获得以下激光热力复合再制造对45钢拉伸性能的影响规律；(2) 以AISI304不锈钢为对象，对激光冲击不锈钢焊接件前后机械性能和断口形貌，并分析和揭示了激光冲击强化AISI304不锈钢焊接件的强化机理；(3) 采用激光织构先在T9工具钢试样表面加工出规则微观几何形貌，然后采用高能激光束对T9工具钢试样进行冲击，得到激光复合制备的试样。研究了不同情况下激光非光滑表面的摩擦系数和磨损抗性，分析和讨论了沟槽间距和激光冲击对激光织构试样非光滑表面的摩擦行为和磨损抗性的影响过程以及多次激光冲击后试样表层的微观组织变化；(4) 探索了304奥氏体不锈钢焊接件抗气蚀电化学腐蚀工艺，获得了激光冲击波强化前后不锈钢焊接件腐蚀疲劳性能的变化规律；(5) 运用ANSYS有限元软件对激光熔覆316L不锈钢(304不锈钢粉末)的温度场进行了数值计算，利用建立的三维模型，分析激光熔覆过程中温度场分布情况和熔池节点温度梯度的变化规律及扫描路径对温度场的影响。.在项目执行期内，圆满完成计划任务书的各项任务。研究成果获2013年江苏省科学技术奖一等奖1项，受Springer出版社邀请出版英文专著《Laser Shock Processing of FCC Metals: Mechanical Properties and Micro-Structural Strengthening Mechanism》1部，发表论文11篇，其中SCI收录8篇，EI收录2篇(不含SCI收录)。获授权发明专利4项。参加国际/国内会议交流14次，做分组报告3次。这些研究成果将为损伤关键件的再制造工艺和理论等方面提供科学依据。