激光冲击强化后GH4169的微动疲劳机理研究

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微动疲劳常发生于连接构件中,会大大降低构件的疲劳寿命,使构件发生非预期的破坏。激光冲击强化是一种新型的表面强化技术,已经成功在包括航空发动机叶片在内的许多构件中得到应用。但目前针对激光冲击强化后涡轮盘常用合金的微动疲劳相关研究较少,因此本文开展了激光冲击强化后GH4169镍基合金的微动疲劳机理研究,并对其微动疲劳寿命进行了预测,为后续研究人员在GH4169镍基合金的抗微动疲劳损伤防护方面提供了参考。论文的主要研究内容和研究结论总结如下:(1)激光冲击强化后试样表面完整性变化:使用激光共聚焦显微镜、X射线残余应力测试仪、纳米压痕测试系统等研究了激光冲击强化后GH4169镍基合金表面完整性的变化。结果表明:试样的表面粗糙度和表面轮廓的起伏程度会随着激光能量和冲击次数的提高而增大;试样表面残余压应力的数值随着激光能量和冲击次数的提高而增大,4J-1试样的残余压应力层深度约为2mm,90°方向最大值为-1164.4MPa;强化后试样的表面硬度和弹性模量随着激光能量和冲击次数的提高而变大,但硬度的提高存在饱和现象;通过细观组织的观察发现两次激光冲击强化后的材料表层晶粒尺寸得到了细化。(2)微动疲劳寿命试验研究:基于简化模型类的单卡头式微动疲劳试验装置,在三种试验工况下开展了激光冲击强化前后微动疲劳试验研究,获取了GH4169微动疲劳试验件的裂纹萌生寿命,并对微动疲劳裂纹的走向、萌生位置和微动接触区的磨损情况进行了分析,通过中止试验获得了残余应力随微动疲劳循环数的变化规律。结果显示:在轴向载荷为800MPa、法向载荷为230MPa时,5J激光能量冲击后试件微动疲劳寿命的提升幅度最大,达到强化前的2.9倍;微动疲劳裂纹总是沿着与接触面呈70°±10°的角度范围内萌生,至一定长度后,沿着近似垂直于接触表面的方向扩展;微动接触区呈现出典型的微动磨损特征,不同激光能量冲击后试件的下滑移区呈现出不同的裂纹扩展形式;不同载荷工况下残余应力在经历微动疲劳载荷后都出现了较大程度的释放。(3)微动疲劳寿命预测分析:基于连续介质损伤力学方法,建立了激光冲击强化后GH4169微动疲劳试验件的寿命预测模型。在模型中考虑了不同工况下微动垫夹持刚度的变化,并通过预加应力的方式将残余压应力的影响引入有限元模型中。结果显示:预测寿命与试验寿命的误差较小,均在两倍分散带以内,证明了此模型能够比较准确地对激光冲击强化前后的GH4169试件的微动疲劳寿命进行预测;最后分析了残余应力对接触区相对滑移幅值的影响规律。
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