大型汽轮机过渡区叶片的环境致裂与激光冲击延寿机理

面向超超临界（SUC）大型汽轮机长寿命可靠运行的需求，针对含NaCl高温水环境中低压过渡区叶片材料的环境致裂特性及激光冲击延寿机理展开研究。主要包括：（1）通过疲劳载荷下材料表面化学反应的适时测量与分析，结合Faraday定律，建立应力协助扩散及环境促进疲劳相耦合的表面化学－力学模型，澄清环境等效应对材料疲劳抗力及裂纹扩展的作用机制；（2）通过时间、环境相关的残余应力释放机理研究，澄清残余应力对疲劳寿命及裂纹扩展的影响规律并建立映射关联，合理描述激光冲击对叶片材料延寿的作用机制；（3）通过Monte-Carlo算法，结合小裂纹理论及表面化学－力学模型，建立包含环境效应及残余应力参量、物理意义明确的疲劳裂纹扩展及寿命模型。本研究体现了力学、化学和材料等多学科的交叉，可望从化学-力学角度阐明环境疲劳致裂的基本规律并建立预测、延寿方法，为SUC关键部件的寿命设计方法和制造水平提升提供科学支持。

本项目重点研究高温腐蚀环境下叶片材料的疲劳断裂特性和表面性能提升技术与方法研究。研究内容总体划分为两个方面，即一方面从结构的损伤与断裂理论出发，致力于多尺度裂纹扩展机制、腐蚀环境与机械载荷的耦合行为及寿命预测等共性基础问题的研究，另一方面致力于发展先进复合涂层和表面塑形等表面制造技术与方法。项目组经过四年的努力，在复杂载荷条件下多尺度裂纹扩展试验和理论模型、化学—力学交互作用下的寿命预测模型、激光高能束效应制备高性能表面涂层基础理论与技术原型、先进复合涂层的工程应用等方面取得了一些有影响的研究成果。项目负责人以第一作者及通讯作者发表SCI检索论文16篇，授权国家专利授权3项、软件著作权1项。项目完成期间，项目负责人荣获上海市科技进步一等奖1项（2015、排名1）、国家自然科学二等奖1项（2013、排名3）、上海市和北京市自然科学一等奖各1项（2012、排名均3），项目组成员荣获上海市自然科学一等奖1项（2015、排名5）；项目负责人入选中组部首批青年拔尖人才（2012）、上海市浦江人才（2012）、国家自然科学基金优秀青年基金（2013）、上海市十大青年科技英才（基础研究类）（2014）、教育部霍英东青年教师基金（2014）等人才计划支持，项目组成员入选上海市“晨光学者”人才支持计划（2012）。参与项目的研究生荣获连续两届荣获中国腐蚀与防护学会“优秀论文奖”（2014、2015）、全国热处理青年工作者大会“优秀论文奖”（2012）、“智能制造、智造中国”学术论坛“优秀报告奖”（2013）。培养博士研究生2名，硕士研究生5名。