高温高频条件下航空合金焊接接头超长寿命疲劳损伤机理与寿命预测研究

Welding structure is widely used in the key parts of modern aeroengine. They usually work in harsh environment such as high temperature, high speed and so on, and need to meet the requirements of long life and high reliability. This project concerns the aeronautical alloy welded joint and firstly develop a method and technology for fatigue test up to ten billion cycles at elevated temperature. Then, taking the very long life fatigue failure initiation and development of aeronautical alloy welded joint under elevated temperature and high frequency alternating load as the main study route, many mechanisms are explored including very long life fatigue damage micro/macro mechanical characteristics, creep-fatigue interaction, crack initiation and propagation, damage evolution and failure, based on the mechanical damage model. Methods for evaluating the fatigue damage tolerance and life prediction of aeronautical alloy welded joints in very long life fatigue regime are subsequently developed. In addition, by studying on surface modification and damage repair mechanisms, surface treatment methods for improving the very long life fatigue property of welded joint at elevated temperature are explored. The project will give a comprehensive and quantitative understanding in very long life fatigue behavior of aeronautical alloy welded joint under high temperature service environment and provide a scientific basis and key technical support for the safety evaluation and life prediction of welded components.

现代航空发动机的关键部件中大量采用了焊接结构，其服役于高温、高转速等复杂环境，并且需满足长寿命、高可靠要求。本项目以航空合金焊接接头作为研究对象，首先建立高温百亿周次超长寿命疲劳性能测试方法与技术；然后以高温及高频交变载荷作用下航空合金焊接接头超长寿命疲劳失效破坏的成因和发展为主线，通过损伤破坏力学模型研究，探索焊接接头高温微/宏观超长寿命疲劳损伤力学特性，蠕变-疲劳交互作用机制，疲劳裂纹形成发展过程、损伤演变规律和失效机理，建立航空合金焊接接头超长寿命疲劳损伤容限评估和寿命预测方法。通过对表面强化和损伤修复机理进行研究，探索有效提高焊接接头高温超长寿命疲劳性能的表面处理方法。项目研究将为全面深入了解航空合金焊接接头在高温服役环境下的超长寿命疲劳行为，对焊接构件进行安全评估和寿命预测提供有利的科学依据和关键技术支持。

长寿命、高可靠性已成为国家重大装备及工程的发展目标和紧迫需求。航空发动机关键部件长期工作于高温、高寒、腐蚀、高转速、低应力幅环境，超长寿命疲劳（VHCF）问题非常普遍。现代规范已对航空发动机零件明确提出1e9周次以上VHCF服役要求。由此可见，在现代航空发动机设计中，长寿命高可靠性已成为必须检验的指标，航空关键材料和结构的VHCF快速测试和评估方法、破坏机理和增强技术已成为迫切的需求，是航空发动机结构完整性设计中需要重点解决的问题之一，也是典型的卡脖子技术。.本项目根据问题需求，以典型航空合金（钛合金、镍合金和镁合金）及其焊接接头为研究对象，以实验系统→失效机理→增强技术为主线，开展了常温和高温环境条件下VHCF性能的快速测试评估、破坏机理和性能增强技术研究。建立了焊接接头高温环境超声加速疲劳测试方法和技术，量化评价了TC17合金及其电子束焊接接头在常温和高温（400℃）环境下1e9周次范围内的VHCF性能；结合先进表征技术，阐明了VHCF失效机理，确定了焊接缺陷在VHCF失效中的极端敏感性和决定性，建立氧化层脱落和侵入失效模型合理解释了高温环境对VHCF裂纹萌生的影响机理；定量确定了缺陷尺寸、形状、位置等因素与裂纹萌生特征区、疲劳强度与寿命之间的关系，发展了基于缺陷致裂机理的焊接接头VHCF强度与寿命预测技术；同时，获得了多种处理方法（焊接工艺、焊后热处理和表面处理）对焊接接头VHCF性能的增强机理及关键技术。项目研究成果可为航空发动机的安全评估和寿命预测提供有利的理论依据和方法，同时为长寿命高可靠性设计提供科学依据和关键技术支持。.项目相关成果共发表标注SCI论文32篇，授权发明专利9项，获全国学（协）会一等奖2项，培养国家级人才1名、硕博士研究生6名。