激光温喷丸强化航空轻质合金的振动模态及疲劳延寿机理

摘要

激光温喷丸强化技术(Warm laser peening，WLP)，融合光/力/热多个能量场对材料进行深层次的表面改性，通过改善激光冲击波诱导的微观组织对材料的宏观力学性能以及疲劳性能进行调控和优化，从而显著提高传统激光喷丸强化技术中关键力学性能指标的稳定性与可靠性。本文针对航空轻质合金零件亟需解决的振动疲劳失效问题，研究了航空轻质合金的热力耦合改性机制及其振动疲劳延寿机理。以飞机结构件材料2024-T351航空铝合金为研究对象，综合运用理论、数值模拟以及实验研究相结合的方法，探索了WLP诱导的微观组织演变规律及其对材料残余应力场和模态参量的影响，在此基础上研究了WLP强化材料的振动疲劳延寿及断裂机制，并建立了相应的工艺准则。主要内容如下:
　　(1)残余压应力场的生成机理及释放机制:使用XRD衍射方法测量了激光温喷丸诱导的残余压应力幅值及分布规律，并结合航空轻质合金的微观组织特点推导了激光温喷丸诱导残余压应力幅值及塑性变形深度的理论模型。基于动态析出效应对Johnson-Cook本构模型进行修正，提出了激光温喷丸强化材料的本构模型，在此基础上研究了激光温喷丸诱导残余应力场的数值分析方法。根据循环载荷下材料的弹塑性变形，分析了激光喷丸表面残余压应力的释放过程，并建立了有限元分析方法。
　　(2)热力耦合作用下的动态析出、位错演变以及动态再结晶过程:以2024-T351航空铝合金为研究对象，综合使用光学显微镜、XRD衍射仪以及透射电子显微镜(TEM)等实验手段研究了激光温喷丸诱导的晶粒形态、析出相成分及分布、位错和亚晶界形态，分析了激光温喷丸过程中的位错演变规律，并提出了动态再结晶机制。基于S析出相的晶格结构与晶格参数构建了含析出相的Al-Cu系分子动力学模型，分析了热力耦合作用下动态析出相对激光冲击波传播特性、冲击波诱导位错形态以及位错密度的影响规律，为位错演变以及动态再结晶机制提供物理依据。
　　(3)激光温喷丸对固有频率以及材料阻尼的增益机制:使用纳米压痕仪测量了激光温喷丸强化2024-T351铝合金表面的弹性模量及纳米硬度，基于模态理论推导了弹性模量与固有频率的定量化模型，并构建了激光温喷丸强化航空轻质合金结构模态分析以及频率响应分析的有限元模拟方法。使用实验模态分析方法测量了激光温喷丸悬臂梁结构试样的阻尼比，并基于G-L位错阻尼理论分析了激光温喷丸诱导的动态析出相及位错形态对材料阻尼的影响机理;根据振动力学以及激光喷丸试样表面的受力状态，建立了阻尼比与残余压应力共同作用下航空轻质合金的振动应力估算模型。采用ABAQUS对悬臂梁结构进行频率响应分析，研究了激光温喷丸阻尼效应对危险截面动态应力幅值及分布的影响规律。
　　(4)振动疲劳寿命的估算以及裂纹起始与扩展寿命的表征:综合考虑激光温喷丸诱导的屈服强度、材料阻尼以及残余压应力场对振动应力的影响，分别针对裂纹起始与裂纹扩展两个阶段建立了航空轻质合金振动疲劳寿命的数学模型，为分析激光温喷丸振动疲劳延寿机理以及实现振动疲劳寿命估算提供了条件。以2024-T351航空铝合金为研究对象，使用固有频率对振动过程中的疲劳损伤以及损伤速率进行了表征，并根据损伤特征分析了激光温喷丸诱导的裂纹起始寿命以及裂纹扩展寿命。联合使用ABAQUS有限元分析软件以及MSC.Fatigue疲劳分析软件，以“WLP微观组织—残余压应力&固有频率&阻尼比—振动应力—振动疲劳寿命”为思路，建立了激光温喷丸强化航空轻质合金振动疲劳寿命的有限元模拟方法。
　　(5)振动疲劳断口形貌观察与分析:使用扫描电子显微镜(SEM)观察了激光温喷丸强化2024-T351航空铝合金的振动疲劳断口形貌，结合振动疲劳损伤研究了振动疲劳断口的组成及各阶段特征。结合振动应力以及材料强度，分析了激光温喷丸对振动疲劳断口形貌的影响规律，并研究了激光温喷丸强化航空轻质合金的振动疲劳断裂机制。
　　本文还以Ti6Al4V双相钛合金为研究对象，探索了激光温喷丸强化作用下多相合金相形态以及位错的演变过程，为开展多相合金的激光温喷丸强化研究奠定了基础。理论分析、数值模拟以及实验研究结果共同表明，激光温喷丸强化技术在优化微观组织状态、提高残余应力幅值及稳定性、改善工件在振动疲劳下的服役寿命以及延缓断裂失效方面具有显著优势，为航空轻质合金关键零部件延寿提供了一种稳定可靠的工艺方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 振动疲劳及其研究概况

1．3 激光温喷丸强化改性研究

1．3．1 WLP诱导的微观组织

1．3．2 WLP诱导的残余应力场及疲劳寿命

1．3．3 WLP数值模拟研究

1．4 本课题的研究内容及研究意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

论文说明

第二章 航空轻质合金的热力耦合改性机制及振动疲劳延寿机理

2．1 热力耦合作用改性的微观机制

2．1．1 动态应变时效

2．1．2 动态析出强化

2．1．3 多相合金的相形态

2．2 激光温喷丸强化的应力机制

2．2．1 残余压应力估算模型

2．2．2 残余压应力释放机理

2．3 结构振动模态理论

2．3．1 结构振型

2．3．2 固有频率

2．3．3 材料阻尼

2．4 激光温喷丸强化的振动疲劳延寿机理

2．4．1 疲劳裂纹起始寿命估算

2．4．2 疲劳裂纹扩展寿命估算

2．4．3 振动疲劳全寿命估算

2．5 本章小结

第三章 激光温喷丸强化航空铝合金的微观组织演变

3．1 基于分子动力学的微观组织数值模拟

3．1．1 分子动力学简介

3．1．2 微观组织建模及模拟流程

3．1．3 激光冲击波的传播特性

3．1．4 激光冲击波诱导的位错形态

3．2 激光温喷丸强化与微观组织测试实验

3．2．1 吸收层与约束层

3．2．2 激光温喷丸实验装置

3．2．3 激光温喷丸实验方案

3．2．4 微观组织测试方法

3．3 微观组织测试结果与分析

3．3．1 动态析出相

3．3．2 位错形态

3．3．3 晶粒细化

3．4 本章小结

第四章 激光温喷丸强化航空铝合金的残余应力场及其释放特性

4．1 残余应力场及其循环载荷释放的数值模拟

4．1．1 ABAQUS简介

4．1．2 激光温喷丸诱导的残余应力场

4．1．3 残余应力循环载荷释放特性

4．2 残余应力场及其循环载荷释放的测试与分析

4．2．2 激光功率密度对残余应力的影响

4．2．3 材料温度对残余应力的影响

4．2．4 残余应力释放结果与分析

4．3 本章小结

第五章 激光温喷丸强化航空铝合金结构的振动模态

5．1 模态测试原理及装置

5．1．1 模态测试原理

5．1．2 模态测试装置

5．2 纳米压痕测试与分析

5．2．2 测试结果与分析

5．3 模态测试结果与分析

5．3．1 振型与固有频率

5．3．2 阻尼比

5．4 基于有限元的模态分析以及频率响应分析

5．4．2 振型与固有频率

5．4．3 阻尼比对结构频率响应的影响

5．5 本章小结

第六章 激光温喷丸强化航空铝合金的振动疲劳特性

6．1 振动疲劳测试及其动态监测系统

6．2 振动疲劳寿命测试与表征

6．2．1 振动疲劳全寿命分析

6．2．2 振动裂纹起始寿命与裂纹扩展寿命

6．3 断口形貌观测与分析

6．3．1 测试方法

6．3．2 振动疲劳断口特征

6．3．3 激光温喷丸强化对振动疲劳断口的影响

6．4 振动疲劳寿命的有限元模拟

6．4．1 模拟方法及流程

6．4．2 模拟结果与分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 尚需解决的问题及前景展望

参考文献

攻读学位期间学术论文发表及研究成果目录

致谢