钛合金表面超声滚压与微弧氧化复合强化层设计及抗疲劳机理研究

Although microarc oxidation (MAO) coating can greatly improve the corrosion resistance and wear resistance of titanium alloy, it will damage the fatigue strength of titanium substrate. The aim of this project is to address this challenge via the co-processing technology of ultrasonic surface rolling processing (USRP) / MAO. The optimal combination scheme of USRP parameters for Ti6Al4V alloy will be firstly studied via orthogonal tests. Then, the composite strengthening layer will be constructed on Ti6Al4V alloy based on USRP/MAO processing. The gradient microstructure and stress distribution of the composite strengthening layer with different thickness ratios (MAO coating: USRP layer) will be analyzed by EBSD, TEM and X-ray stress tester. The thickness matching criteria of USRP/MAO composite strengthening layer will be established based on the above research results. In addition, the corrosion resistance, wear resistance and fatigue properties of Ti6Al4V alloy with different microstructures (MAO coating, USRP strengthening layer and composite strengthening layer) will be characterized by electrochemcial experiments, ball-disk wear tests and axial fatigue tests. During fatigue test, the extension behavior of fatigue cracks will be observed in situ by long-distance microscope. Meanwhile, the quasi-static propagation law of fatigue crack in the MAO/USRP/substrate multi-layer structure will be modeled through the extended finite element method (XFEM). Combining with experimental results and simulation analysis, the microscopic mechanism of USRP / MAO gradient layer on improving the fatigue properties of titanium alloy will be discussed in depth. The project can provide technical support for the potential application of MAO coatings in the aviation industry. Moreover, this project is helpful to deepen the understanding about the essence of anti-fatigue for surface strengthening technique.

微弧氧化层可以大幅改善钛合金构件的耐蚀/耐磨性，但会损伤其疲劳强度；对此，项目提出利用超声滚压与微弧氧化（USRP/MAO）复合强化层消除此不利影响。通过正交实验研究USRP参数的优化组合方案，采用EBSD、TEM、X射线应力测试仪等分析不同厚度比例（MAO层：USRP层）复合强化层的梯度微结构和应力分布规律，建立USRP/MAO复合强化层的尺寸匹配准则。通过电化学实验、球-盘磨损实验、轴向疲劳实验表征典型微结构（MAO层、USRP层、复合强化层）钛合金的耐蚀、耐磨及抗疲劳性能。同时，利用长工作距离显微镜原位观察复合强化层的疲劳裂纹扩展行为；基于扩展有限元法模拟裂纹在MAO/USRP/基体多层结构中的准静态扩展规律；结合实验和模拟结果，深入探讨复合强化层的抗疲劳机理。项目研究可为微弧氧化在航空工业上的应用提供技术支撑，同时有利于深化对表面强化抗疲劳本质的认识。

钛合金是重要的航空航天结构材料，项目提出利用超声滚压与微弧氧化复合技术实现其耐磨性与抗疲劳性能的协同改善。系统研究了USRP参数在钛合金表面强化过程中的优化组合方案；建立了不同电解液体系中微弧氧化膜层生长模型。准确分析了不同厚度比例（MAO层：USRP层）复合强化层的梯度微结构和应力分布规律，确定了复合强化层的设计准则。同时，结合实验研究及计算机模拟，探讨了不同状态试样的疲劳裂纹萌生、扩展规律，分析了复合强化处理钛合金的抗疲劳机制。主要结论如下：. 超声滚压过程中钛合金试样发生累积塑性变形，表层晶粒细化并形成残余压应力场。各参数对强化层粗糙度的影响程度依次为：进给速度＞静压力＞振幅＞主轴转速。然而，对于强化层的硬度，影响程度最大的是静压力，进给速度次之；滚压力增大，试样表层最大硬度值呈上升趋势，但过大静压力会造成表层损伤。. 超声滚压处理显著提升了钛合金的疲劳寿命，但不同工艺下疲劳寿命的增幅差异较大。加工道次对疲劳寿命的影响不太显著，在900N静压力下加工1道抗疲劳效果即已较佳。主轴转速显著影响钛合金的表面完整性及残余应力分布，进而决定其疲劳寿命。选择静压力800N、主轴转速200rpm、进给速度0.1mm/r、加工1道时，钛合金试样表面粗糙度低至0.049μm，且存在厚度约680μm、最大值为-941MPa残余压应力场，抗疲劳增益最大。. 不同电解液中微弧氧化放电机理及涂层生长方式存在显著差别。硅酸盐-磷酸盐混合体系中，涂层生长方式随氧化时间改变，起初主要向外生长，一定时间（约60分钟）后内生长逐渐占主导；由此确定，微弧氧化过程中会消耗部分有益的超声滚压强化层。. 在交变应力作用下微弧氧化试样表层会产生多个裂纹源，明显降低钛合金基体的抗疲劳性能，且膜层越厚、疲劳寿命降幅越大。USRP预处理可以使微弧氧化放电更加均匀，改善涂层致密性、降低表面粗糙度，提升其抗疲劳性能。在600MPa载荷下，复合处理试样的疲劳寿命比单纯微弧氧化试样提升了10倍以上；疲劳裂纹源从多源变成单源且转移至次表层，裂纹扩展路径也更加曲折。高的表面完整性、深的残余压应力场及表层纳米晶化效应被认为是超声滚压改善微弧氧化钛合金疲劳性能的重要原因。. 项目研究结果可为航空钛合金部件的长效服役提供技术支撑，在航空工业中具有较强的应用价值；同时加深了对表面强化抗疲劳本质和规律的认识。