激光喷丸强化(Laser Peening,LP)作为一项新颖的表面改性技术,其利用高能短脉冲激光诱导的高压冲击波力学效应使金属材料表层产生塑性变形,通过形成高幅值的残余压应力和均匀、细密的晶粒结构,从而提高金属材料的疲劳性能。本文选取IN718镍基合金为研究对象,分析激光喷丸诱导残余压应力的高温松弛特性,推导高温疲劳全寿命估算公式和高温氧化环境下的疲劳裂纹扩展模型,通过对高温疲劳断口的宏微观检测,系统研究激光喷丸诱导的微观结构变化对高温疲劳裂纹扩展性能的影响,并结合高温氧化行为,揭示高温氧化膜形成机制及其疲劳性能增益微观机理。主要内容有以下几个方面:(1)研究IN718镍基合金高温疲劳过程中,蠕变-疲劳-氧化损伤交互作用机制,阐述典型试样高温疲劳断裂的宏微观过程;分析激光喷丸诱导的应力强化和组织强化效应,并结合激光喷丸诱导的位错增殖和高温析出,探讨温度和超高应变率交互作用的高温疲劳增益机理;以激活熵、晶粒尺寸、位错密度和析出相为表征量,探索激光喷丸诱导的残余压应力在高温条件下的宏微观松弛机制,在此基础上,推导残余压应力在高温疲劳下松弛估算公式;依据连续损伤力学观点,以IN718镍基合金单联中心孔试样为例,进行激光喷丸处理试样的高温疲劳裂纹萌生寿命、裂纹扩展寿命及高温全寿命估算;探讨激光喷丸强化对IN718镍基合金高温氧化动力学的影响,建立应力与高温氧化耦合条件下疲劳裂纹扩展模型。(2)开展不同激光功率密度下的激光喷丸试验,分析不同激光功率密度(6.05 GW/cm~2,6.58 GW/cm~2及7.37 GW/cm~2)及服役温度(600℃,700℃和800℃)对试样表层显微硬度以及表面形貌的影响;研究不同激光功率密度喷丸处理后,IN718镍基合金试样表面和深度方向的残余压应力分布规律;开展不同服役温度下激光喷丸试样的热暴露试验,研究激光喷丸诱导的残余压应力在高温保持过程中的松弛规律,并获得残余压应力的高温松弛模型。结果表明,激光喷丸可显著提高IN718镍基合金基体材料近表层的显微硬度,但硬化层深度存在阈值,且适当提高激光功率密度可增大塑性变形层深度。激光喷丸诱导形成的近表层残余压应力在深度方向呈梯度分布,而温升导致的位错运动是残余压应力发生松弛的主要原因。(3)开展典型激光喷丸IN718镍基合金单联中心孔拉伸试样的高温疲劳拉伸试验,研究不同激光功率密度和服役温度对试样疲劳寿命的影响;分别从宏观断口形貌和微观断口形貌两个角度,结合疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区及瞬断区的分布、疲劳条带、析出相、韧窝及断裂模式等特征,分析不同激光功率密度和服役温度对IN718镍基合金断裂特性的影响,揭示激光喷丸强化前后试样高温疲劳断裂的本质规律。结果表明,激光喷丸可抑制或消除IN718镍基合金表层疲劳裂纹萌生倾向,显著提高其常温和高温疲劳寿命,激光功率密度和服役温度是影响材料最终疲劳寿命的两个重要因素。(4)分析IN718镍基合金高温疲劳过程中的氧化行为,探索高温交变载荷下氧化膜形成的不同物理阶段和化学反应阶段,揭示高温氧化膜对疲劳裂纹扩展特性的影响规律;研究超高应变率激光喷丸作用下,材料表层强烈塑性形变诱导的晶粒细化和位错增殖等微观组织强化效应,揭示材料内部组织能态在微观尺度内的平衡规律,位错亚结构转变与服役温度以及激光功率密度之间的相互联系;探讨高温疲劳过程中,断口附近强化区内晶粒组织、位错组态和强化相的演变规律及其对裂尖塑性区的损伤模式与裂纹扩展速率的影响,揭示激光喷丸改善高温服役件疲劳性能的微观组织强化机理。结果表明,激光喷丸诱导的位错密度的增大以及细晶结构的生成,有助于提升材料的局部力学性能。同时,生成的新的位错结构,如位错墙、位错胞等与γ’相强化颗粒形成了特有的“位错-析出相”缠结,从而对运动位错产生钉扎效应,最终提高了材料的抗高温疲劳性能。另外,高温过程中的氧化膜,在扩展初期对裂纹的萌生和扩展具有一定的抑制作用。