基于超声振动切削/激光冲击强化联合处理的钛合金抗疲劳制造微观机理研究

Fatigue rupture is the main failure form of structural components used in aerospace industry. Especially, the frequently happened problem of titanium alloys, such as poor surface integrity, short life and bad reliability, has become one of the major factors that restricts the service life of aircraft in China. Based on the anti-fatigue manufacturing theory, this project aims to investigate the micro-structural evolution mechanism related to surface integrity and fatigue performance of aeronautical titanium alloy under the combined manufacturing of ultrasonic vibration cutting and laser shock processing. Firstly, taking the thermo-mechanical coupling effects and typical damage elements into account, a new evaluation method for surface integrity will be proposed. Then, the microscopic models for fatigue cumulative damage and fatigue life prediction considering the damage elements and their combinations will be established to analyze their sensitivity to microstructure variation. Finally, the relationship between the surface integrity and the fatigue performance of titanium alloy affected by anti-fatigue manufacturing will be established and deeply discussed. This study provides a feasible way for the available high quality and long life manufacturing of titanium alloy components against the surface integrity in aviation field, and has great significance and practical application value for developing the engineering application of anti-fatigue manufacturing of titanium alloys.

疲劳是航空结构件的天敌，尤其是钛合金结构件频繁出现的“表面完整性差、寿命短、可靠性低”等问题，已经成为制约我国航空器服役寿命的主要因素之一。本项目基于抗疲劳制造理论基础，对航空钛合金超声振动切削/激光冲击强化联合制造工艺的表面完整性和疲劳性能微观演变机理展开研究。提出考虑热力耦合效应和典型损伤基元的钛合金表面完整性评价新方法，建立主要损伤基元及其组合条件下的疲劳损伤微观累积模型和疲劳寿命预测微观模型，进行钛合金表面质量和疲劳性能的微观因素敏感性评估，并探讨钛合金抗疲劳制造表面完整性和疲劳性能之间的内在联系。为实现高性能航空钛合金关键结构件在表面完整性约束下的高质量、长寿命制造研究提供可行途径，对开展钛合金抗疲劳制造技术的工程化应用具有重要理论指导意义和实际应用价值。

钛合金作为典型的难加工材料存在许多不利的切削特性，使得机械加工时容易造成粘刀，产生不连续刀痕、点蚀坑、微裂纹等多种缺陷，从而破坏加工零件表面完整性，特别是其中的残余应力、组织结构和表面粗糙度等因素是对疲劳断裂抗力影响最主要的因素。本项目从微观角度出发，对难加工材料的裂纹扩展进行了较为系统的研究。建立了难加工材料单颗粒磨削脆性去除裂纹扩展模型，分析了不同载荷模式和加工参数对裂尖应力强度因子的影响；引入热源作用，建立了难加工材料热辅助磨削脆性去除模型，研究了热源强度和位置对亚表面裂纹扩展的影响；提出了超声振动切削加工的非均匀移动热源模型，讨论了超声振动参数对工件温度梯度的影响；最后，建立了考虑激光冲击强化裂纹闭合效应的三区域疲劳裂纹扩展系统，揭示了激光冲击强化疲劳性能提升的微观机制。上述研究工作的主要结论如下：.（1）单颗粒磨削时，法向压缩集中力对I型裂纹扩展有促进作用，侧向力的存在使材料断裂所需的法向集中力门槛值变大，磨削速度越小、工件速度和磨粒直径越大，对I型裂纹扩展的反屏蔽效应越强。.（2）热辅助磨削时，机械载荷和热载荷的相对位置决定了热源对中径裂纹扩展的抑制或促进作用。随着磨粒前方热源强度的增加，热源对亚表面裂纹扩展的抑制越明显。热源位于磨粒后方，裂尖应力强度因子有最大值；反之，应力强度因子存在最小值。.（3）超声振动切削时，等效热源中心趋于朝着刀具后侧面移动。剪切面附近的温度随振动幅值和频率的增大而降低；已加工表面的温度随振动幅值减小和振动频率增加而上升。.（4）激光冲击强化诱发的闭合应力效应可以减小裂纹扩展速率，克服晶粒边界约束所需的驱动力越小，裂纹在每个晶粒内扩展的临界裂纹长度变短。此外，裂纹扩展需要的门槛应力更高，疲劳寿命提升。循环寿命在前10个晶粒要比之后的高出一个数量级，意味着闭合应力效应对改善短裂纹扩展的疲劳性能更有效。