基于动态应变时效的激光温喷丸强化延寿基础研究

针对交变载荷和高温条件下的应力疲劳松弛问题，开展温度辅助基于动态应变时效的激光温喷丸改性延寿技术研究，探索提高表面强化性能稳定性的方法。系统研究超高应变率和温度耦合条件下的多尺度位错动力学行为及其热-力效应对材料微观组织的影响机理，材料中纳米颗粒动态析出及其形核率的定量化分析模型，高应变率-高压-温度条件下的应力应变本构关系，激光温喷丸表面纳米层微结构及其完整性，应力强化结合组织强化提高疲劳寿命增益等基础科学问题。通过理论研究、数值模拟、系列实验和过程控制方法相结合，获得激光喷丸和动态应变时效综合作用下材料表面改性延寿的工艺准则；建立工艺参数、微观组织、表面形貌、残余应力及疲劳特性集成的数字化分析平台，实现高温和循环载荷下表面强化性能稳定性的预测和控制。本项目研究对于推进"光-力制造"理论在表面工程控性控形及抗疲劳制造领域的应用，形成自主知识产权具有重要意义。

本项目针对交变载荷和高温条件下的应力疲劳松弛问题，从宏微观层面探索了高应变率激光喷丸作用及其动态应变时效温度耦合效应对材料性能的改善机理。研究了激光温喷丸（WLP）诱导的冲击波峰值压力及残余应力场分布，得到了残余压应力幅值及深度分布解析的数学模型，分析了应力强化诱导的疲劳延寿机制；基于材料的微观物理机制及位错动力学理论，建立了温度-动态应变时效条件下的位错密度估算模型，分析了材料动态析出及其形核率的定量化估算模型，基于Lammps分子动力学模拟分析，获得了热/力耦合作用诱导的位错滑移规律及材料微观组织的演变机制；结合ABAQUS与MSC.Fatigue软件，建立了“激光喷丸-残余压应力场-疲劳裂纹扩展与寿命”的有限元模拟方法，分析了激光喷丸关键工艺参数对材料表面残余应力场、疲劳寿命以及疲劳裂纹扩展特性的影响规律；在此基础上建立了WLP诱导残余压应力场及其循环载荷释放特性的有限元分析方法，研究了喷丸温度对残余压应力及其释放速率的影响，获得了激光温喷丸改善残余压应力稳定性的机理；搭建了激光温喷丸实验系统，研究了适用于高温喷丸的约束层材料，开展了工艺参数对微观组织、表面形貌、残余应力及疲劳特性影响的相关实验，讨论了高温保持及循环载荷条件下LP与WLP诱导残余压应力的释放机制，为揭示热力耦合强化下材料宏微观性能稳定性的机理提供了依据；对比分析了LP与WLP对材料疲劳寿命的改善作用，并结合疲劳断口形貌获得了激光喷丸金属材料的疲劳断裂准则以及工艺参数对疲劳裂纹扩展寿命影响的显著性程度，在此基础上研究了WLP诱导的晶粒变化与纳米析出对Ti6Al4V钛合金低周疲劳断裂过程影响，得到了激光温喷丸航空钛合金的疲劳断裂过程的演变规律，阐明了热力耦合强化下材料的疲劳延寿机理。以激光温喷丸诱导残余压应力的幅值和影响深度为目标，基于minitab软件/Taguchi设计方法对激光功率密度，喷丸次数、喷丸温度等主要工艺参数的组合方案进行了试验设计，确定了各因素对残余应力幅值和深度影响的显著性程度，结合基于残余应力的疲劳延寿理论探索了工艺参数变化对疲劳裂纹扩展速率等关键参数的影响规律，为拓展激光温喷丸技术在表面工程抗疲劳领域的应用奠定了基础。项目研究获授权发明专利14件，软件著作权2件，发表学术论文24篇，其中SCI收录11篇，EI收录8篇，培养毕业硕士研究生7名，培养博士研究生2名。