航空合金深冷激光冲击协同强化机理及其振动疲劳特性

Vibration fatigue failure has been acknowledged as one of the most common failure modes for aeronautical components. To prolong the service life and enhance the reliability of components by utilizing advanced surface treatment technologies has become to be a crucial issue in the science of structural failure and safe service. In this proposal, an innovative surface treatment technology so-called cryogenic laser peening(CLP) is adopted to explore the strengthening mechanisms and vibration fatigue properties of aeronautical alloys under coupling interaction of ultra-low temperature and ultra-high strain rate. The main tasks include: (1) The CLP-induced microstructural evolution and related mechanisms of dislocation multiplication and nano-scale twins generation will be studied. The collaborative strengthening principles for the enhancement of strength and toughness will be also analyzed. (2) The influences of CLP processing on adjusting metal damping and structural natural frequencies will be explained by establishing the quantitative analysis model of dislocation damping. (3) To reveal the effect of CLP on the life extension mechanism of bending vibration fatigue, the influences of processing parameters on bending fatigue properties of typical structures will be investigated. (4) A comprehensive analysis model based on CLP and bending vibration fatigue life will be achieved, then the energy utilizing mechanism of CLP and the control method of collaborative strengthening will be discussed. The aim is to enrich and develop the theory and technology of surface treatment process, providing fundamental basis for engineering application of CLP technology.

振动疲劳失效是航空结构件一种常见的破坏模式，采用先进的表面强化技术延长零部件的服役寿命及可靠性，已成为结构失效与安全服役科学中的关键问题。本申请项目针对典型航空合金材料，以深冷激光冲击加载技术为手段，开展超低温度与超高应变率耦合作用下航空合金的强化机理及其振动疲劳特性研究。主要包括：（1）研究深冷激光冲击诱导微观组织演变及其位错增殖和纳米孪晶机制，探明协同提高材料强度和韧性增益的内在机理；（2）通过建立位错型阻尼的定量化分析模型，阐述深冷激光冲击调控金属阻尼及其对结构固有频率的作用机制；（3）分析工艺参数对典型结构弯曲振动疲劳主要特性的影响规律，揭示深冷激光冲击对弯曲振动疲劳寿命的延寿机理；（4）建立深冷激光冲击—弯曲振动疲劳寿命的综合分析模型，研究深冷激光冲击能量利用机制及协同强化控制方法。项目成果可望丰富和拓展表面改性延寿的理论和技术，为深冷激光冲击强化技术的工程应用提供理论基础。

本项目针对航空合金振动疲劳问题，从宏微观层面探索了超低温与超高应变率耦合强化机制，研究了深冷激光喷丸（cryogenic laser peening, CLP）过程中诱导高密度位错和形变孪晶组织的强化机制。基于Lammps分子动力学数值模拟，对比分析了常温激光喷丸（laser peening, LP）和CLP作用下诱导的微观组织演变机制；研究了深冷激光喷丸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；结合ABAQUS与MSC.Fatigue软件平台，分析了深冷激光喷丸诱导的残余应力场增益效应对材料振动疲劳特性的影响规律；开展了不同工艺参数对微观组织、残余应力等表面完整性以及振动疲劳特性影响的实验研究，获得了深冷激光喷丸作用下材料宏/微观性能稳定性的机理；基于材料的微观组织演变及其强化机制，建立了CLP加载下金属阻尼的定量化分析模型以及固有频率的数学模型， 研究了CLP对金属阻尼以及固有频率典型弯曲振动疲劳特性的作用机制。在此基础上研究了CLP诱导的位错组态与晶粒结构对航空合金振动疲劳断裂过程影响，获得了深冷激光喷丸强化航空合金振动疲劳特性的延寿机理；以深冷激光喷丸诱导的表面平均残余应力和残余压应力层深度为响应目标，基于Design Expert软件/Box-behnken Design设计方法对冲击波压力、冲击次数和深冷温度等主要工艺参数的组合方案进行了试验设计，得到了最佳参数组合；结合基于残余压应力的疲劳延寿理论探索了工艺参数变化对弯曲振动疲劳寿命的影响规律，为拓展深冷激光喷丸技术在表面工程抗疲劳领域的应用奠定了基础，对于发展航空合金新的表面形变强化处理工艺方法具有重要的理论意义。围绕项目研究，申请发明专利 13 件，其中已获授权 9 件；发表学术论文 23 篇，其中SCI收录 16 篇，EI收录 7，培养毕业硕士研究生 9 名，培养博士研究生 2 名。