镍基单晶高温合金激光温喷丸强化机理及其热稳定性研究

This project is facing the major demand of long life and high reliability for the key parts of advanced aircraft engines, aiming at the serious problem of crack and fracture of nickel base single crystal turbine blade under the condition of high temperature service, the research of warm laser shock peening on the nickel base single crystal superalloy is carried out. To reveal the strengthening mechanism of the anisotropic nickel base single crystal superalloy, the relationship of grain orientations/process parameters/ residual stress field/ microstructure/ macroscopic performance is studied, combining with the thermal field coupling simulation, the influence of grain orientations on the dynamic stress/strain characteristics is established. To improve the thermal stability of the strengthened layer, the influence of process parameters on the surface nanocrystallization, residual stress field, microstructure, macroscopic performance and their association relationship are researched, the relationship of process parameters/ surface nanocrystallization/residual stress field/ microstructure/ fatigue life is established, the mechanism of surface nanocrystallization, thermal relaxation of residual stress, recrystallization is explored, the process parameters are further optimized. The strengthening mechanism of single crystal alloy is revealed, the thermal stability of strengthening layer is improved, and it is applied to strengthen the blade tenon/groove and it will provide a theoretical and technical support for promoting the fatigue performance of hot components for the aero-engine.

本项目面向我国先进航空发动机关键部件对长寿命、高可靠性的重大需求，针对高温服役条件下单晶涡轮叶片裂纹、断裂故障的严重问题，开展激光温喷丸镍基单晶高温合金强化机理及其热稳定性研究。为揭示各向异性单晶合金强化机制，研究晶粒取向-温喷丸工艺参数-残余应力场/微观组织-宏观力学性能的多尺度关系，结合热场耦合仿真，研究晶粒取向对动态应力/应变特性的影响规律；为提高强化层热稳定性，研究温喷丸工艺参数对表面纳米化、残余应力场分布、微观组织特征、宏观力学性能的影响规律及其关联关系，建立温喷丸工艺参数-表面纳米化-残余应力场热释放-微观组织再结晶-疲劳寿命之间的关系，探索表面纳米化形成机制、残余应力场热释放机制、微观组织再结晶机制，进一步优化温喷丸工艺参数。本研究将揭示单晶合金的强化机理，提高其热稳定性，并应用于叶片榫齿/槽部位强化，为提升我国航空发动机等热端部件疲劳性能提供理论和技术支撑。

本项目结合我国在航空发动机领域关于激光强化关键零件以提高工作寿命及可靠性的重大需求，主要以镍基单晶高温合金为研究对象，对激光温喷丸技术的强化机理和热稳定性进行了研究工作。通过激光温喷丸单晶合金晶粒取向对其动态响应的研究，得到了激光温喷丸的强化机制：激光温喷丸可在材料表面产生高密度位错结构和高幅值的残余压应力。残余压应力大小随深度增加而减小，形成一定深度的残余压应力层。相比于普通激光喷丸，激光温喷丸诱导产生的高密度位错结构可增强残余压应力层的热稳定性、抗腐蚀性能等，得到了样品近表面强化层残余应力场分布规律和微观组织结构特征。进一步地，通过激光温喷丸和表面细化对强化层残余应力热释放，获得了残余应力的热释放机制：热曝光后，样品表面残余压应力绝对值以及微硬度值均下降，表明残余压应力在高温环境下发生热释放。激光温喷丸处理的样品中，残余压应力的绝对值和微硬度值的下降幅度比普通激光喷丸处理的样品小，表明激光温喷丸诱导产生的残余应力层热稳定性更好。对于强化层再结晶、疲劳裂纹产生等研究内容，获得了再结晶机制：对于强化区域，热处理温度越高，其表面硬度越低。由于强化产生的形变组织处于亚稳态，在高温环境下将发生回复、再结晶以及晶粒长大等现象。热处理温度越高，再结晶程度越高。.综合研究内容及结果，得出：对于镍基单晶高温合金而言，为获得高幅值、高表面硬度、低再结晶程度、低残余应力热释放的残余压应力层，可通过增大单脉冲能量（6-8J）、增加单点喷丸次数（1-4次）、升高温喷丸温度（260℃-400℃）、选取[111][001]晶向合金等方法进行激光温喷丸实验。通过路径规划、控制模型及算法的研究，将激光温喷丸技术在单晶涡轮叶片上进行了实际应用。综上，本项目的完成将有力地提升我国在激光温喷丸领域的研究水平，为提高单晶涡轮叶片的疲劳寿命和服役安全性提供理论与工艺基础。