镍基单晶高温合金喷丸强化机理及其疲劳寿命预测方法研究

Nickel-based single crystal superalloy is widely used in aeroengine turbine blades because of its good overall performance, however, due to the extreme complexity of service conditions, it still faces the risk of fatigue failure, therefore, shot peening strengthening technology, which has been proved to be effective in improving the fatigue performance of polycrystalline materials, is introduced in order to improve fatigue performance of single crystal superalloy at elevated temperature. However, the residual stress field induced by shot peening shows anisotropy, and the grain refinement phenomenon will cause some damage to the structure of single crystal, which indicates that the strengthening effect on single crystal and polycrystalline materials will be quite different. The reason for this is that there is still no clear understanding of the strengthening mechanism of single crystal and lacking the method to quantitatively character the evolution of surface microstructures and anisotropic residual stress field during fatigue progress. Therefore, it is of critical importance to investigate fatigue damage mechanism in shot-peened single crystal under fatigue loading. This study is expected to obtain a clear understanding of the strengthening mechanism and establish a method to predict the fatigue life of shot-peened single crystal, and scientific guidance, and provide technical support for the life extension of single crystal turbine blades of advanced aviation engines.

镍基单晶高温合金因其良好的综合性能被广泛应用于航空发动机涡轮叶片，但由于服役条件的极端复杂性仍面临疲劳失效的风险，为此，引入对多晶体材料疲劳性能增益效果显著的喷丸强化以期来改善单晶的高温疲劳性能。然而单晶具有明显的各向异性特征，且仅包含一个晶粒，喷丸处理后引入的残余应力场也表现为各向异性，同时表面组织细化等现象也会对其结构造成一定程度的“破坏”，导致单晶与传统多晶体材料的强化效果存在显著差异。究其原因，目前仍未对单晶喷丸强化机制形成清晰理解，且缺乏可量化表层微观组织、各向异性残余应力及其演化的表征方法。因此，本项目拟从单晶的微观滑移机理出发，揭示喷丸单晶强化机理及其高温疲劳损伤机理，分别考虑宏观残余应力、微观组织演化等对疲劳损伤的影响，建立疲劳寿命预测方法。期望通过本项研究可明确单晶喷丸强化机制，建立喷丸单晶高温疲劳寿命预测方法，为先进航空发动机单晶涡轮叶片的延寿提供技术支持。

镍基单晶高温合金因其良好的综合性能被广泛应用于航空发动机涡轮叶片，但由于服役条件的极端复杂性仍面临疲劳失效的风险，为此，引入对多晶体材料疲劳性能增益效果显著的喷丸强化以期来改善单晶的高温疲劳性能。本项目从单晶的微观滑移机理出发，揭示喷丸单晶强化机理及其高温疲劳损伤机理，建立了考虑残余应力、微观组织等影响的疲劳寿命预测方法，以期为单晶涡轮叶片抗疲劳设计提供支持。本项目取得的主要结论如下：.①以镍基单晶高温合金DD6材料为对象，开展高应变率载荷作用下的力学性能研究，建立可反映镍基单晶高温合金各向异性的高应变率本构模型；在此基础上，建立了镍基单晶高温合金喷丸强化工艺的数值模型，并通过喷丸强化试验进行验证。结果表明，残余应力预测结果与试验结果相对误差小于10%。.②针对镍基单晶高温合金非弹性变形过程中的位错演化机理，确定主导变形过程的四种位错机制，建立位错运动过程、位错密度演化的定量表征方法，以及反映γ/γ’两相结构特征的内应力解析模型，有效模拟了DD6合金的单调拉伸和蠕变变形行为。.③开展不同温度下喷丸DD6合金的原位疲劳试验，确定表层材料的变形程度和温度是影响其回复与再结晶过程的主要因素；进一步，喷丸DD6合金的低循环疲劳试验表明，喷丸强化造成的圆弧状弹坑会在试件表面造成应力集中，疲劳裂纹呈现多源起裂特征，并沿特定滑移面扩展。.④结合晶体滑移理论和非线性损伤累积理论，建立了DD6合金低循环疲劳损伤模型，疲劳寿命预测结果与应变控制、应力控制下的低循环疲劳试验结果相比，均在2-3倍分散带内；以此为基础，引入喷丸强化后的残余应力修正八面体滑移系细观参量，进而建立喷丸DD6合金低循环疲劳损伤模型，寿命预测结果与试验结果相比在2.5倍分散带内，说明模型具有较高的精度。