高能喷丸表面纳米化钛合金的微动疲劳行为研究

Titanium alloy widely used in aviation is sensitive to surface damage and easy to be failure because of fretting and fretting fatigue. Based on a feature phenomenon that nanostructure improving abrasive resistance, this project propose a new idea utilizing surface nanocrystallization (SN) to improve service performance of TC4 titanium alloy. A high energy shot peening technique will be take to treat TC4 to investigate the effect of SN trait on fretting fatigue behavior. The strengthening mechanism of TC4 with SN feature will be announced by analyzing the abrasive resistance and residual comprehensive stress relaxation. The failure mechanism of fretting fatigue samples with SN characteristic would be clarified by studying that nanostructure layer affect the behavior of fatigue crack initiation (first stage ) and fatigue crack early growth. The relation among SN surface integrity, fretting fatigue parameters and fretting fatigue behavior will be verified. The research results will provide theoretical and experimental basis for applying SN technique in improving fretting fatigue resistance of titanium alloy.

航空用钛合金对表面损伤敏感，容易因微动磨损或微动疲劳失效。本项目基于纳米结构增强材料耐磨性的特性，提出表面纳米化改善钛合金使役性能的新思路，拟采用高能喷丸技术在TC4表面制备纳米层，重点研究表面纳米化对钛合金微动疲劳行为的影响规律。分析微动疲劳过程中表面纳米化材料的耐磨性和表层残压余应力松弛规律，揭示高能喷丸表面纳米化钛合金抗微动疲劳的强化机理；研究表面纳米结构层对疲劳裂纹萌生（第Ⅰ阶段）和裂纹早期扩展（第Ⅱ阶段）行为特征的影响，阐明表面纳米化钛合金微动疲劳的失效机理；探讨钛合金表面纳米化特征-微动参数-微动疲劳行为的相关性规律。研究结果将为表面纳米化技术在钛合金抗微动疲劳防护领域的应用提供理论基础和实验依据。

钛合金对表面损伤敏感，容易因微动磨损或微动疲劳过早失效，例如发动机风扇叶片榫头紧配合部位。本项目基于金属动态再结晶原理，利用喷丸改性处理在钛合金表面制备高强硬纳米晶组织，改善钛合金微动接触区耐磨损性能，进而提高钛合金的微动疲劳性能。主要研究了高能喷丸自纳米化制备、纳米组织调控与微动磨损行为、自纳米化微动疲劳行为。重要研究结果有：.1. 利用高能喷丸表面改性技术在钛合金表面制备出晶粒尺度为50 nm纳米晶层。钛合金表面自身纳米化是由于位错运动、孪生等共同作用下的动态再结晶结果。高能喷丸钛合金在表层引入更大残余压应力层，有利于抑制疲劳裂纹扩展。通过研究残余应力层沿深度方向微观组织演变规律，阐述残余应力轮廓曲线形成机理，首次发现最大残余应力区呈现高几率长程位错塞积群。.2. 表面纳米化钛合金的微动磨损行为和微观组织状态、磨损条件密切相关。材料耐磨性由硬度和塑性共同决定。当位移幅值较小（≤20μm）时，喷丸纳米化材料表现出优秀耐磨性能，得益于纳米组织的高强硬特性。然而，当位移幅值较大（≥50μm）时，喷丸纳米化耐磨性能急剧下降。这是因为剧烈喷丸强化耗尽靶材延展塑性，不利于微动接触区协调变形。经表面纳米化改性后，微动磨损行为从混合滑移机制转变为完全滑移机制，粘着磨损现象消失。.3. 经喷丸纳米化+退火处理钛合金，既保留了高强纳米组织结构，又获得了良好的塑韧性能，其抗微动耐磨性能显著提升。自纳米化+退火处理微动磨损体积仅为6×104μm3，远低于原始态的81×104μm3。.4.表面纳米化技术能够改善钛合金的微动疲劳性能，其强化效果与微观组织状态密切相关。在一定测试条件下，喷丸纳米化+退火处理+复喷丸改性样品，相比原始钛合金，疲劳寿命提高了6倍。喷丸纳米化抗微动强化机理是：① 接触区微动耐磨性能提高；② 微动磨损机制从混合滑移转变为完全滑移，避免了粘着磨损危险区；③ 喷丸引入的残余应力，有效抑制疲劳裂纹扩展。