航空关键件发生局部损伤或失效后,其他部分往往还有很大的承载能力,采用先进的表面技术修复损伤关键件,延长损伤关键件服役寿命及提高其可靠性,已经成为机械构件再制造工程中的核心科学问题之一。激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术,具有超高压、高能量、超快速和超高应变率等特点,具有常规加工方法无可比拟的优点及显著的技术优势,能够消除金属零部件热效应修复产生的残余拉应力并且细化表层原始粗晶,从而提高损伤零部件的机械性能和服役寿命。目前激光冲击强化对熔覆层及焊接区的机械性能和微观组织分布规律的影响尚缺乏系统的研究,同时“中国制造2025”也将激光技术列为“前沿技术”而重点发展。因此,在再制造领域内开展损伤零部件激光冲击强化技术研究具有巨大的工程应用前景和重要的学术价值。针对上述问题,本文以316L不锈钢熔覆层和焊接件为研究对象,使用超声检测技术对熔覆层缺陷进行了识别,探索了熔覆层化学成分对缺陷成因的影响;对大面积激光冲击前后熔覆层及焊接件的显微硬度、残余应力及微观组织分布规律进行了研究,表征和分析了激光冲击波对熔覆层及焊接件的微观结构演化过程。获得了如下结论和进展:(1)建立三种典型的熔覆层缺陷(气孔、微裂纹及缩松)和超声回波波形之间的对应关系,并根据缺陷部位的化学成分含量分析熔覆层不同缺陷的成因:在无缺陷熔覆层中超声回波呈指数形式衰减,且相邻回波波峰之间的距离相等;气孔缺陷的超声回波第一回波的波峰比无缺陷回波的波峰尖锐且幅值比标准幅值高,第二与第三回波幅值衰减迅速,且第三回波波根处与横波反射回波的波根发生重叠;微裂纹缺陷的超声回波第一回波的幅值低,第二和第三回波的幅值迅速降低且幅值基本相同;缩松缺陷超声回波波形整体类似于无缺陷熔覆层的超声波形,都呈近指数衰减,唯一的不同之处在于缩松缺陷处超声回波的幅值总体低于无缺陷熔覆层的超声回波幅值;此外,大量C元素的存在会导致熔覆层中产生气孔,大量的Si元素的存在导致熔覆层在凝固过程中产生偏析作用,从而促使裂纹萌生及扩展,缩松区域的化学成分与无缺陷区域基本相同。该部分研究成果已发表在国际知名期刊Lasers in Engineering上。(2)研究大面积激光冲击对316L不锈钢熔覆层不同区域显微硬度、残余应力及微观组织的影响,重点表征和分析激光冲击前后熔覆层顶部及两侧结合区的微观组织及性能变化,获得了激光冲击强化对熔覆层微观结构的影响规律:大面积激光冲击能有效提高熔覆层近表层的显微硬度,并消除近表层的残余拉应力;经大面积激光冲击后熔覆层截面硬度呈阶梯状分布,近表层及过渡区域硬度值分别提高了62.9%和31.3%。经大面积激光冲击强化后,熔覆层不同区域的硬度值与晶粒尺寸分布存在一定的关系(晶粒越细硬度越高);熔覆层两侧与基材结合区域的针状晶受到超高压的冲击波的影响而被细化为细胞状晶粒,从而有效提高了两侧结合区域的结合强度,熔覆层顶层的柱状晶被细化为等轴晶;大面积激光冲击强化能有效降低熔覆层中的孔隙率,使得熔覆层组织分布更加紧密,从而有效减少熔覆过程中熔覆层因温度分布不均、熔覆材料成分差异等问题而导致的微缩孔等微观缺陷;大面积激光冲击强化后316L不锈钢激光熔覆层及基材近表层会产生大量的塑性变形。该部分研究成果已发表在国际知名期刊Journal of Alloys and Compounds上。(3)研究大面积激光冲击强化前后316L不锈钢焊缝及其附近基材区域的残余应力及显微硬度分布,揭示大面积激光冲击过程中不锈钢焊缝区域的晶粒细化机制:大面积激光冲击强化可有效消除焊缝表面的残余拉应力,并提高其表面显微硬度,但是对热影响区显微硬度的影响较小;大面积激光冲击强化可将焊缝表层的柱状晶细化为等轴晶,且基材表层的晶粒也得到明显细化;大面积激光冲击强化后焊缝区域产生大量塑性变形(位错、形变孪晶和堆垛层错),基材区域产生机械孪晶和片状孪晶;在原始晶界和孪晶界处位错运动会受到晶界阻碍而形成位错塞积;大面积激光冲击强化后激光焊缝区域晶粒的细化是受到形变孪晶和高密度位错共同作用使得原始粗晶的晶界被位错线和形变孪晶撕裂从而形成新的晶界所致,此外,粗晶内部的高密度的位错缠结及位错墙会形成亚晶界,在高压冲击波作用下会产生持续的动态再结晶,并导致晶粒取向差逐步增大,从而使得晶粒内部产生大角度细晶。该部分研究成果已投稿国际知名期刊Materials Science and Engineering:A。综上所述,本文研究为实际应用中如何快速准确的检测熔覆层中的典型缺陷提供了一种新方法,为深入了解激光冲击强化对316L不锈钢熔覆层不同区域的力学性能及熔覆层缺陷的改善情况提供了参考,为系统揭示激光冲击强化对316L不锈钢熔覆层及焊接区的塑性变形机制提供了可供参考的理论与试验依据。