激光溫噴丸強化航空輕質(zhì)合金的振動模態(tài)及疲勞延壽機理.pdf

1、激光溫噴丸強化技術(shù)(Warm laser peening，WLP)，融合光/力/熱多個能量場對材料進行深層次的表面改性，通過改善激光沖擊波誘導的微觀組織對材料的宏觀力學性能以及疲勞性能進行調(diào)控和優(yōu)化，從而顯著提高傳統(tǒng)激光噴丸強化技術(shù)中關(guān)鍵力學性能指標的穩(wěn)定性與可靠性。本文針對航空輕質(zhì)合金零件亟需解決的振動疲勞失效問題，研究了航空輕質(zhì)合金的熱力耦合改性機制及其振動疲勞延壽機理。以飛機結(jié)構(gòu)件材料2024-T351航空鋁合金為研究對象，綜合運

2、用理論、數(shù)值模擬以及實驗研究相結(jié)合的方法，探索了WLP誘導的微觀組織演變規(guī)律及其對材料殘余應力場和模態(tài)參量的影響，在此基礎(chǔ)上研究了WLP強化材料的振動疲勞延壽及斷裂機制，并建立了相應的工藝準則。主要內(nèi)容如下:
　　(1)殘余壓應力場的生成機理及釋放機制:使用XRD衍射方法測量了激光溫噴丸誘導的殘余壓應力幅值及分布規(guī)律，并結(jié)合航空輕質(zhì)合金的微觀組織特點推導了激光溫噴丸誘導殘余壓應力幅值及塑性變形深度的理論模型?；趧討B(tài)析出效應對Jo

3、hnson-Cook本構(gòu)模型進行修正，提出了激光溫噴丸強化材料的本構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上研究了激光溫噴丸誘導殘余應力場的數(shù)值分析方法。根據(jù)循環(huán)載荷下材料的彈塑性變形，分析了激光噴丸表面殘余壓應力的釋放過程，并建立了有限元分析方法。
　　(2)熱力耦合作用下的動態(tài)析出、位錯演變以及動態(tài)再結(jié)晶過程:以2024-T351航空鋁合金為研究對象，綜合使用光學顯微鏡、XRD衍射儀以及透射電子顯微鏡(TEM)等實驗手段研究了激光溫噴丸誘導的晶粒形態(tài)

4、、析出相成分及分布、位錯和亞晶界形態(tài)，分析了激光溫噴丸過程中的位錯演變規(guī)律，并提出了動態(tài)再結(jié)晶機制?；赟析出相的晶格結(jié)構(gòu)與晶格參數(shù)構(gòu)建了含析出相的Al-Cu系分子動力學模型，分析了熱力耦合作用下動態(tài)析出相對激光沖擊波傳播特性、沖擊波誘導位錯形態(tài)以及位錯密度的影響規(guī)律，為位錯演變以及動態(tài)再結(jié)晶機制提供物理依據(jù)。
　　(3)激光溫噴丸對固有頻率以及材料阻尼的增益機制:使用納米壓痕儀測量了激光溫噴丸強化2024-T351鋁合金表面的彈

5、性模量及納米硬度，基于模態(tài)理論推導了彈性模量與固有頻率的定量化模型，并構(gòu)建了激光溫噴丸強化航空輕質(zhì)合金結(jié)構(gòu)模態(tài)分析以及頻率響應分析的有限元模擬方法。使用實驗模態(tài)分析方法測量了激光溫噴丸懸臂梁結(jié)構(gòu)試樣的阻尼比，并基于G-L位錯阻尼理論分析了激光溫噴丸誘導的動態(tài)析出相及位錯形態(tài)對材料阻尼的影響機理;根據(jù)振動力學以及激光噴丸試樣表面的受力狀態(tài)，建立了阻尼比與殘余壓應力共同作用下航空輕質(zhì)合金的振動應力估算模型。采用ABAQUS對懸臂梁結(jié)構(gòu)進行頻

6、率響應分析，研究了激光溫噴丸阻尼效應對危險截面動態(tài)應力幅值及分布的影響規(guī)律。
　　(4)振動疲勞壽命的估算以及裂紋起始與擴展壽命的表征:綜合考慮激光溫噴丸誘導的屈服強度、材料阻尼以及殘余壓應力場對振動應力的影響，分別針對裂紋起始與裂紋擴展兩個階段建立了航空輕質(zhì)合金振動疲勞壽命的數(shù)學模型，為分析激光溫噴丸振動疲勞延壽機理以及實現(xiàn)振動疲勞壽命估算提供了條件。以2024-T351航空鋁合金為研究對象，使用固有頻率對振動過程中的疲勞損傷以

7、及損傷速率進行了表征，并根據(jù)損傷特征分析了激光溫噴丸誘導的裂紋起始壽命以及裂紋擴展壽命。聯(lián)合使用ABAQUS有限元分析軟件以及MSC.Fatigue疲勞分析軟件，以“WLP微觀組織—殘余壓應力&固有頻率&阻尼比—振動應力—振動疲勞壽命”為思路，建立了激光溫噴丸強化航空輕質(zhì)合金振動疲勞壽命的有限元模擬方法。
　　(5)振動疲勞斷口形貌觀察與分析:使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了激光溫噴丸強化2024-T351航空鋁合金的振動疲勞斷

8、口形貌，結(jié)合振動疲勞損傷研究了振動疲勞斷口的組成及各階段特征。結(jié)合振動應力以及材料強度，分析了激光溫噴丸對振動疲勞斷口形貌的影響規(guī)律，并研究了激光溫噴丸強化航空輕質(zhì)合金的振動疲勞斷裂機制。
　　本文還以Ti6Al4V雙相鈦合金為研究對象，探索了激光溫噴丸強化作用下多相合金相形態(tài)以及位錯的演變過程，為開展多相合金的激光溫噴丸強化研究奠定了基礎(chǔ)。理論分析、數(shù)值模擬以及實驗研究結(jié)果共同表明，激光溫噴丸強化技術(shù)在優(yōu)化微觀組織狀態(tài)、提高殘余