激光冲击调控单晶合金叶片组织性能演变机制及稳固方法

Ni-based single crystal alloy blades are key parts of aircraft gas turbine. High strength, high hardness, high fatigue resistance, high resistance corrosion, and high maintain performance of causative precision is the main manufacturing target of this kind of parts. Laser shock peening technology can not only introduce the residual compressive stress in parts surface, but also introduce high-density nanocrystals. So, laser shock peening is an important means of strengthening single crystal alloy blades. For the problems of macro-deformation, crack, stress relaxation, and microstructure degradation in laser peened single crystal alloy blades, the phenomenon of nonlinear strong coupling, multi-scale effect, and strong temporal-spatial variation on the strength effect during laser peening and aging process are analyzed. And the analysis is based on the theory of laser-stress-wave-structure coupling, material flow stress regulation and shock wave guidance. The relationship between temporal-spatial characteristics of laser, pre-stress, peening temperature, ageing parameter and strengthening effect is quantitative descripted. By means of the pre-stress, material flow stress, path optimization, dynamic precipitation, and static aging, the causative performance improving and its stability of single crystal alloy blades will be solved.

镍基单晶合金叶片是航空发动机中最重要的复杂结构件，其以高强度、高硬度、高疲劳性能、高抗腐蚀性能、高使役精度保持性能等物理性能为主要制造指标。激光冲击强化技术在零件表层不仅能引入残余压应力，还能引入致密的纳米层，因而是强化单晶叶片的重要手段。针对单晶合金叶片激光冲击强化中突显的变形、强化效果失效、裂纹萌生等深层次问题，基于“光-波-力-构”耦合、材料流变应力与冲击波调控理论，分析激光冲击过程中多参数瞬态非线性强耦合、宏微观多尺度效应对强化效果的影响规律，建立激光时空特性、预置应力、强化温度、后时效与单晶叶片强化效果间的定量描述，采用应力预置、材料流变应力调控、路径优化、动态析出与静态时效等手段，提出提升和稳固单晶叶片使役性能的激光冲击强化新方法与新技术。

镍基单晶合金叶片是航空发动机中最重要的复杂结构件，其以高强度、高硬度、高疲劳性能、高抗腐蚀性能、高使役精度保持性能等物理性能为主要制造指标。激光冲击强化技术在零件表层不仅能引入残余压应力，还能引入致密的纳米层，因而是强化单晶叶片的重要手段。针对单晶合金叶片激光冲击强化中突显的变形、强化效果失效、裂纹萌生等深层次问题，基于“光-波-力-构”耦合、材料流变应力与冲击波调控理论，分析激光冲击过程中多参数瞬态非线性强耦合、宏微观多尺度效应对强化效果的影响规律。.为解决上述镍基高温合金服役时的疲劳和耐热腐蚀问题，本文使用先进的激光冲击强化技术对镍基高温合金材料进行数值模拟和表面强化处理方面的研究。先后进行了镍基高温合金IN718的激光冲击强化处理数值模拟、不同脉冲激光能量对镍基单晶高温合金SRR99表面形貌演变的实验研究、激光冲击波对镍基单晶高温合金耐热腐蚀性能影响的实验研究。取得了以下主要研究结果：随着单脉冲激光能量的增加，经激光冲击强化处理后的IN718合金的表面最大塑性变形量增大，且光斑所对应的凹坑半径也随激光脉冲能量的增加而增加；表面残余压应力最大值增加，且残余压应力影响区域也在增大。单点激光冲击能够使单晶合金表面发生剧烈塑性变形形成圆形凹坑，且随着脉冲激光能量增加到7J，圆形凹坑的直径和最大相对高度最大分别可达到2.41mm和5.56μm，凹坑底部轮廓从弧形逐渐转变为平滑状态；合金表面也会产生较高的硬度和有益的残余压应力；圆形凹坑底部存在凸起状结构和少量的弹坑状缺陷结构；表面粗糙度会随着脉冲能量的增加而一直升高，且升高趋势平缓；冲击后合金表面的γ＇相发生一定的扭曲变形且导致γ通道变窄，原有的基体相和强化相的强化方式特征并没有被破坏，其仍然保持原有的蠕变强度和热疲劳性能。从而得到提出提升和稳固单晶叶片使役性能的激光冲击强化新方法与新技术。