高温疲劳-蠕变交互作用下超声冲击强化航空发动机钛合金叶片疲劳行为与寿命预测研究

航空发动机叶片焊接接头在高温下承受疲劳-蠕变交互作用，由此造成的高温疲劳问题较为严重。超声冲击作为一种提高焊接接头疲劳寿命的方法，在常温下取得了良好的效果，但对其在高温下应用的研究目前尚未开展。本项目研究超声冲击方法处理高温疲劳-蠕变交互作用下航空发动机钛合金叶片电子束焊接接头的强化机制及寿命预测相关基础问题。使用自行研制的新型超声冲击设备对航空发动机叶片焊接接头进行冲击处理，研究冲击对接头组织形态、力学性能的影响，以及处理后接头在高温热-机械载荷作用下的疲劳行为。建立该环境下冲击处理接头的统一本构理论模型，并在此基础上建立的连续损伤力学模型，对高温疲劳-蠕变作用下冲击强化接头的疲劳寿命进行预测。该寿命预测模型将为超声冲击应用于高温环境服役钛合金焊接接头疲劳性能强化提供理论支撑。

本项目以航空发动机钛合金叶片焊接接头为研究对象，研究超声冲击处理前后接头试样性能变化，欲建立高温疲劳-蠕变载荷下的接头疲劳强化及寿命预测模型。根据最初的试验设计本项目对叶片接头从真空电子束焊阶段进行研究，针对叶盘等大型、复杂焊接结构的特点设计了快速热源模拟方法，对4米长度57万节点的结构进行焊接过程应力变形模拟，计算时间为10小时。超声冲击有不同于其它冲击、喷丸方法的特点，因此由超声冲击造成的金属材料内部力学、组织的变化也有不同于其它冷变形强化方法的方面，本课题建立了基于二维及三维模型的超声冲击过程应力场、塑性应变分析模型，用于预测不同冲击参数对试样残余应力及其分布的影响。由于原定试验温度偏高导致由超声冲击处理造成的压缩应力在高温应力松弛作用下释放，冲击处理组与原始焊态组高温疲劳寿命差别较小(5%)。通过研究发现塑性变形量、试验温度和保温时间三因素对应力松弛的影响最显著，在700K下保温24小时可以是95%的残余应力释放，这也是超声冲击组疲劳寿命没有延长的原因。由于上述原因造成试验方案需进行较大幅度调整。下一步的研究内容首先是通过应力松弛试验确定后续疲劳试验的温度，根据最终确认的温度进行疲劳试验，对该温度下的超声冲击强化接头疲劳行为进行研究。由于以往对超声冲击过程的有限元研究较少，冲击模型也多与喷丸模型的相似，以施加初速度进行冲击为主，与超声冲击过程的驱动、碰撞原理有着本质的不同。本项目建立了以超声驱动为动力的冲击-反弹-冲击模型，对超声冲击过程及其应力场变化进行研究，下一步将着重在该模型上研究应力场的演变、残余应力的预测等内容。对于冲击引起的塑性应变与晶粒度的联系及其定量化工作也在下一步的研究范围。