高能噴丸表面納米化鈦合金的微動疲勞行為研究

《高能噴丸表面納米化鈦合金的微動疲勞行為研究》是依託大連理工大學,由付雪松擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高能噴丸表面納米化鈦合金的微動疲勞行為研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：付雪松

項目摘要

航空用鈦合金對表面損傷敏感，容易因微動磨損或微動疲勞失效。本項目基於納米結構增強材料耐磨性的特性，提出表面納米化改善鈦合金使役性能的新思路，擬採用高能噴丸技術在TC4表面製備納米層，重點研究表面納米化對鈦合金微動疲勞行為的影響規律。分析微動疲勞過程中表面納米化材料的耐磨性和表層殘壓余應力鬆弛規律，揭示高能噴丸表面納米化鈦合金抗微動疲勞的強化機理；研究表面納米結構層對疲勞裂紋萌生（第Ⅰ階段）和裂紋早期擴展（第Ⅱ階段）行為特徵的影響，闡明表面納米化鈦合金微動疲勞的失效機理；探討鈦合金表面納米化特徵-微動參數-微動疲勞行為的相關性規律。研究結果將為表面納米化技術在鈦合金抗微動疲勞防護領域的套用提供理論基礎和實驗依據。

結題摘要

鈦合金對表面損傷敏感，容易因微動磨損或微動疲勞過早失效，例如發動機風扇葉片榫頭緊配合部位。本項目基於金屬動態再結晶原理，利用噴丸改性處理在鈦合金表面製備高強硬納米晶組織，改善鈦合金微動接觸區耐磨損性能，進而提高鈦合金的微動疲勞性能。主要研究了高能噴丸自納米化製備、納米組織調控與微動磨損行為、自納米化微動疲勞行為。重要研究結果有： 1. 利用高能噴丸表面改性技術在鈦合金表面製備出晶粒尺度為50 nm納米晶層。鈦合金表面自身納米化是由於位錯運動、孿生等共同作用下的動態再結晶結果。高能噴丸鈦合金在表層引入更大殘餘壓應力層，有利於抑制疲勞裂紋擴展。通過研究殘餘應力層沿深度方向微觀組織演變規律，闡述殘餘應力輪廓曲線形成機理，首次發現最大殘餘應力區呈現高几率長程位錯塞積群。 2. 表面納米化鈦合金的微動磨損行為和微觀組織狀態、磨損條件密切相關。材料耐磨性由硬度和塑性共同決定。當位移幅值較小（≤20μm）時，噴丸納米化材料表現出優秀耐磨性能，得益於納米組織的高強硬特性。然而，當位移幅值較大（≥50μm）時，噴丸納米化耐磨性能急劇下降。這是因為劇烈噴丸強化耗盡靶材延展塑性，不利於微動接觸區協調變形。經表面納米化改性後，微動磨損行為從混合滑移機制轉變為完全滑移機制，粘著磨損現象消失。 3. 經噴丸納米化+退火處理鈦合金，既保留了高強納米組織結構，又獲得了良好的塑韌性能，其抗微動耐磨性能顯著提升。自納米化+退火處理微動磨損體積僅為6×104μm3，遠低於原始態的81×104μm3。 4.表面納米化技術能夠改善鈦合金的微動疲勞性能，其強化效果與微觀組織狀態密切相關。在一定測試條件下，噴丸納米化+退火處理+復噴丸改性樣品，相比原始鈦合金，疲勞壽命提高了6倍。噴丸納米化抗微動強化機理是：① 接觸區微動耐磨性能提高；② 微動磨損機制從混合滑移轉變為完全滑移，避免了粘著磨損危險區；③ 噴丸引入的殘餘應力，有效抑制疲勞裂紋擴展。