激光束下裂纹区域纳米复合材料添加止裂延寿机理与方法

Micro-defects in mechanical components are inevitable due to manufacturing or service. These microscopic defects, which reside either on surface or within components, will propagate, and may even lead to catastrophic failure under complex load and working environments. It is, therefore, impendent to investigate methods to retard crack propagation. . A novel method to retard crack propagation is proposed in this research by adding nano composite materials into laser heated crack region to refine the microstructure. The refinement is achieved by the interaction of nano grains with substrate grains, and the ultimate residence of nano materials. The effect of the microstructural changes on fatigue and fracture will be studied by a process model, a multiscale finite element model, combined with microstructure characterization and fracture & fatigure experiments. Relationships among process parameters, nano material parameters, grain refinement, fracture properties and fatigue life will be analyzed. The mechanism of crack retardation and life extension by adding nano grains into laser heated crack region will be revealed. Techniques and methods for crack retardation and life extension will be proposed. The method is expected to implement crack repairing by low heat input, small deformation and less metallurgical effect. The project has potential for scientific theory and application prospects for repairing and life extension of important, complex, in-service components with crack defects in nuclear and power industries, and will benefit economy and society greatly.

机械零件在制造及服役过程中不可避免地产生微观缺陷。在复杂载荷和服役环境下，微观缺陷易在表面和内部萌发和扩展为裂纹，裂纹进一步扩展将引起结构破坏，甚至导致突发性灾难性事故。因此裂纹止裂延寿的研究刻不容缓。. 本项目提出在激光束加热的裂纹区域添加纳米复合材料，利用纳米材料与基材晶粒的相互作用及最终驻留细化裂纹区微观结构；通过建立止裂工艺模型和多尺度有限元力学模型，结合断口微观组织表征和疲劳断裂实验，研究裂纹区微观结构细化对试件疲劳断裂性能的影响；分析工艺参数、材料参数与晶粒细化程度、断裂性能和疲劳寿命的关系；阐明激光束下裂纹区纳米复合材料添加止裂延寿机理；提出激光束下裂纹区纳米复合材料添加止裂延寿的技术和方法，实现低热输入，小变形和低冶金影响的裂纹止裂修复。这对于核电、能源等领域在役含裂纹缺陷关键复杂零部件的修复和延寿，具有重要的科学意义和广阔的应用前景，并将产生巨大的经济和社会效益。

疲劳断裂是工程结构常见的破坏形式。零件与结构的早期失效将导致突发性灾难性事故，造成生命、经济和环境的巨大损失。为此探索金属材料止裂延寿方法，对贵重、关键零部件上的微裂纹进行早期修复，将有效延长零件服役寿命，降低经济成本，提高资源利用率，具有显著的经济效益。.本项目围绕含裂纹构件激光修复止裂延寿方法及机理，从材料、工艺、力学多学科角度进行了深入研究，取得了丰硕的研究成果。.首先完成了大量的激光修复实验，分析了添加不同微纳米材料和不同激光工艺参数对裂纹激光修复效果的影响，并基于多变量实验对材料参数和工艺参数进行了优化，以保证良好的修复效果。研究发现，不锈钢裂纹激光修复适宜的粉末配比范围为：3-7wt.%纳米WC、1-3wt.% 纳米Al2O3、0.5-1.5wt.%的V和余量的304不锈钢粉末；合适的激光工艺参数组合为：激光功率1800W，光斑直径3mm，加热时间0.5s。.在实验基础上，分析了激光修复件的疲劳断裂性能与微观组织的关系，建立了材料、工艺参数-微观组织-力学性能之间的关系，揭示了裂纹激光修复的止裂延寿机理。研究表明，修复过程中微纳米复合粉末的添加不仅能有效细化修复区材料的晶粒，而且弥散分布的纳米材料能够起到Orowan强化作用，增加裂纹扩展阻力，提高修复件的断裂性能。.然后，建立了基于多尺度有限元的多晶体材料跨尺度计算模型，分析了裂纹激光修复止裂机理；研究了金属材料疲劳失效机理和疲劳裂纹扩展力学行为，建立了金属材料疲劳失效分析模型和裂纹扩展有限元仿真模型，揭示了金属材料疲劳损伤机理，丰富了弹塑性疲劳裂纹扩展速率分析方法。.最后，为进一步推广激光修复止裂技术的应用，对修复装置及其关键部件进行了研发。.项目研究为裂纹激光修复提供了理论基础和可行的途径，研究结果将完善断裂控制技术，加深对裂纹扩展微观机制的理解，促进有效的疲劳寿命评价体系和失效准则的建立，并可应用于大型装备中关键复杂零部件裂纹缺陷的在线/离线修复延寿，是一种节能、节资、环保的绿色再制造新方法。