湿喷丸强化Ti-6Al-4V合金的微动磨损和微动疲劳行为及其机理研究

摘要

Ti-6Al-4V合金因其具有比强度高和耐腐蚀等特点，一直是生产航空涡轮发动机叶片的重要材料。然而，由于Ti-6Al-4V合金硬度低、抗疲劳性能差等缺点严重影响其航空工件的使用寿命。特别是涡轮叶片与压气机盘的榫头—榫槽连接部位的微动磨损将大大降低钛合金叶片的疲劳寿命。同时，这种微小幅度的损伤又具有极强的隐蔽性，常常会造成灾难的发生。随着航空工业的飞速发展，微动损伤越来越引起人们的重视，并且航空工业对微动损伤防护方面的要求也越来越高。在微动损伤防护方面，喷丸处理技术以其成本低、易操作、效率高等优点而成为目前航空领域最普遍的表面处理方法。
　　本文利用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V进行表面强化处理，并对比分析湿喷丸表面强化对微动损伤及疲劳损伤的影响，综合湿喷丸强化机制和微动损伤机制，系统地研究了湿喷丸强化作用对Ti-6Al-4V合金微动损伤的影响规律。主要研究内容包括:
　　(1)采用湿喷丸技术对Ti-6Al-4V合金进行表面强化处理，利用XRD技术、纳米压痕技术、扫描电镜以及透射电镜技术对合金强化层的残余应力、硬度以及微观组织进行测试分析。结果表明，强化层的残余压应力和硬度均随深度增加而减小，影响深度分别为160和80μm。利用修正的硬度与屈服关系公式对Ti-6Al-4V合金湿喷丸强化层作了定量描述，计算表明，表层屈服强度由820MPa提高至约1165MPa并在0～80μm范围内线性降低。通过对强化层的微观组织观察探讨了湿喷丸晶粒细化机制，并根据晶粒细化机制提出了残余应力的形成模型，即喷丸引起的残余压应力是以晶粒之间未释放的弹性能形式存在。
　　(2) Ti-6Al-4V合金试样的常规疲劳性能试验结果表明，湿喷丸处理能显著提高Ti-6Al-4V合金的疲劳寿命。显微组织观察发现，湿喷丸强化改变了疲劳裂纹萌生机制，强化层内的细晶强化和位错强化导致疲劳裂纹萌生位置由表面转移至试样内部，同时，湿喷丸引入的残余压应力对裂纹扩展起到有效的阻碍作用。
　　(3)通过微动磨损的对比试验，研究湿喷丸处理对Ti-6Al-4V合金微动磨损行为的影响规律。结果表明，湿喷丸处理对Ti-6Al-4V合金在粘着状态和滑移状态时的微动磨损行为影响不明显，但是在部分滑移状态时，湿喷丸强化可以对微动磨痕内塑性变形积累区的微裂纹萌生起到有效的阻止作用。通过计算，湿喷丸处理后强化层局部屈服强度的提高是防止局部疲劳损伤的主要因素。
　　(4)利用自主设计的微动疲劳试验装置进行Ti-6Al-4V合金试样的微动疲劳试验。与常规疲劳结果相比，湿喷丸处理对合金微动疲劳损伤的防护作用远高于常规疲劳损伤。通过显微组织观察，提出了湿喷丸处理前后试样的微动疲劳失效机制，即未喷丸试样微动区有局部疲劳微裂纹，出现裂纹尖端效应;湿喷丸试样微动区以磨损为主。湿喷丸强化层对微动区裂纹萌生的阻碍作用是导致试样微动疲劳失效机制不同的主要原因。此外，残余压应力的引入又能阻碍裂纹的扩展。因此，湿喷丸处理对钛合金微动疲劳抗性的提高是由强化层内硬度的增加和残余压应力的引入共同导致的。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 微动损伤的相关理论

1．2．1 微动损伤的数学模型

1．2．2 微动损伤的微观机理

1．3 涡轮叶片微动磨损的研究现状

1．3．1 微动磨损损伤类型

1．3．2 榫头微动磨损研究方法

1．4 涡轮叶片微动疲劳的研究现状

1．4．1 轴向应力的微动疲劳

1．4．2 榫型结构的微动疲劳

1．5 材料微动损伤防护的研究现状

1．5．1 微动磨损防护

1．5．2 微动疲劳防护

1．6 表面喷丸强化技术简介

1．7 本文主要工作

2 实验方法和实验装备

2．1 试验材料

2．2 湿喷丸表面强化的表征

2．2．1 湿喷丸表面强化处理

2．2．2 湿喷丸强化层力学性能表征

2．2．3 湿喷丸强化层微观组织分析

2．3 常规疲劳试验方法与设备

2．3．1 常规疲劳试验试样

2．3．2 常规疲劳试验设备

2．3．3 微观组织分析

2．4 微动磨损试验方法与设备

2．4．1 微动磨损试样

2．4．2 微动磨损试验设备

2．4．3 微动磨痕的检测

2．4．4 微动接触力学分析方法

2．5 微动疲劳试验方法与装置

2．5．1 微动疲劳试验试样

2．5．2 微动疲劳试验装置

2．5．3 微观维织分析

3 湿喷丸对Ti-6Al-4V合金的表面强化作用

3．1 湿喷丸表面强化层的特征

3．1．1 湿喷丸试验参数确定

3．1．2 表层残余应力的分布

3．1．3 湿喷丸强化层的力学特性

3．2 湿喷丸强化的微观机制

3．2．1 强化层截面显微组织

3．2．2 强化层微观组织演变

3．2．3 强化层的力学表征

3．3 湿喷丸残余应力的形成

3．3．1 湿喷丸残余应力特征曲线

3．3．2 喷丸残余应力特征曲线的力学解释

3．3．3 残余应力层的微观组织演变

3．3．4 残余应力的形成机制

3．4 本章小结

4 湿喷丸强化对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响

4．1 湿喷丸前后Ti-6Al-4V合金的疲劳性能

4．2 Ti-6Al-4V合金的疲劳失效特征

4．2．1 疲劳断裂断口形貌

4．2．2 疲劳裂纹萌生及扩展规律

4．2．3 疲劳裂纹萌生及扩展机制

4．3 湿喷丸强化对Ti-6Al-4V合金疲劳失效的影响

4．3．1 湿喷丸试样疲劳断口形貌

4．3．2 湿喷丸试样表面特征

4．3．3 湿喷丸试样表层微观组织

4．3．4 湿赜丸试样疲劳裂纹萌生及扩展机制

4．4 本章小结

5 湿喷丸强化对Ti-6Al-4V合金微动磨损的影响

5．1 微动磨损磨痕形貌特征

5．1．1 微动磨痕的二维形貌

5．1．2 微动磨痕的三维形貌

5．1．3 微动磨损体积

5．2 微动接触的弹性力学分析

5．2．1 微动球体与基体的接触问题

5．2．2 微动接触区的力学解析

5．3 部分滑移状态时的损伤特性

5．3．1 部分滑移状态的力学分析

5．3．2 湿喷丸强化对部分滑移的影响

5．4 本章小结

6 湿喷丸强化对Ti-6Al-4V合金微动疲劳的影响

6．1 微动疲劳装置

6．1．1 微动疲劳试验装置简介

6．1．2 微动疲劳试验装置设计

6．2 湿喷丸强化Ti-6Al-4V合金的微动疲劳特点

6．3 湿喷丸强化Ti-6Al-4V合金的微动疲劳失效机理

6．3．1 微动疲劳断裂断口形貌

6．3．2 表面微动区损伤

6．3．3 微动磨损的影响

6．3．4 微动疲劳失效形式

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介