[發明專利]激光噴丸與超低溫耦合強化金屬材料振動疲勞性能的方法

在審

• 申請號: 202110047916.2
• 申請日: 2021-01-14
• 公開（公告）號: CN112877536A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 李京;劉麟;張穎;劉文明;劉雪東;張智宏;彭劍
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;C21D6/04;C22F3/00;C22F1/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 王姍

一種激光噴丸與超低溫耦合強化金屬材料振動疲勞性能的方法，涉及到金屬材料的激光加工、表面強化技術領域。其主要步驟為：（1）試樣準備；（2）獲取超低溫處理最優工藝參數；（3）獲得金屬材料在超低溫下的動態屈服強度；（4）求解金屬材料在超低溫下的雨貢紐彈性極限；（5）求解激光功率密度；（6）獲取激光能量參數；（7）開展超低溫下激光噴丸強化處理。本發明利用超低溫度的抑制動態回復與湮滅作用，提高位錯密度；采用超低溫度與超高應變率的耦合效應抑制位錯滑移、提高納米形變孿晶形核驅動力，利用位錯與納米形變孿晶之間的相互作用提高金屬材料的阻尼能力和斷裂強韌性，從而實現抗振動疲勞性能的顯著提高。

技術領域

本發明涉及金屬材料加工技術領域，具體涉及一種激光噴丸與超低溫耦合強化金屬材料振動疲勞性能的方法。

背景技術

葉片作為航空發動機最為重要的部件之一，在復雜多變的服役工況下極易產生疲勞損傷，在發動機運行時不斷受到周期性氣流激振力作用而產生振動，同時葉片在工作過程中還承受著較高的離心力、氣動力等引起的振動載荷作用，極易造成疲勞失效，甚至斷裂。據不完全統計，航空發動機故障中因振動而造成的疲勞失效約占60％，而葉片的振動疲勞破損又占振動總故障的70％。由振動疲勞引起的疲勞損傷是葉片的主要失效形式之一。因此，提高航空發動機葉片的振動疲勞抗力具有重要的工程應用價值。

目前，減小航空發動機葉片振動的方法可以歸納為三種：(a)改變外界激振頻率以避開葉片的固有頻率；(b)改變葉片的固有頻率以避開外界激勵頻率；(c)提高葉片的振動疲勞強度或施加阻尼減振結構。這些方法雖然在一定程度上可以減小結構件的振動特性，但同時也增加了結構的重量，違背了航空飛行器輕量化的設計要求。因此，利用表面形變強化技術提高金屬材料的阻尼能力以減小振幅、改善微觀組織以及誘導高幅值殘余壓應力是提高金屬材料振動疲勞性能的有效方法。

激光噴丸技術利用強激光束產生的等離子沖擊波，是提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術。它具有非接觸、無熱影響區、可控性強以及強化效果顯著等突出優點。但是，在高溫、高壓、以及循環載荷作用下，激光噴丸誘導的殘余壓應力存在較快的松弛行為，這限制了服役工況下金屬材料疲勞壽命的強化效果。

溫度和應變率是影響形變強化效應的重要因素，對金屬材料的強化效果具有重要的影響。研究表明，超低溫下的形變強化技術可以為金屬材料提高更加優異的力學性能。超低溫度與超高應變率的協同作用有助于誘導納米形變孿晶的形成。納米孿晶與位錯結構的相互作用可以阻礙位錯的滑移與湮滅，提高殘余壓應力的穩定性以及金屬材料的斷裂強韌性。同時，孿晶界之間，以及孿晶界與位錯的相互作用有效強化金屬材料的阻尼能力，減小結構件的振幅。有益微觀組織、高穩定性殘余壓應力，以及較小的振幅可以有效抑制振動疲勞裂紋的萌生與擴展，進而提高航空發動機葉片的振動疲勞性能。

激光噴丸與超低溫耦合工藝過程中，工藝參數的確定是影響強化效果的關鍵因素。目前，現有技術只能根據多次重復的實驗進行摸索，對于工藝參數的選擇沒有一個可行的判斷依據。

發明內容

解決的技術問題：針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種激光噴丸與超低溫耦合強化金屬材料振動疲勞性能的方法，采用超低溫度的抑制動態回復與湮滅作用，提高位錯密度；采用超低溫度與超高應變率的耦合效應抑制位錯滑移、提高納米形變孿晶形核驅動力，利用位錯與納米形變孿晶之間的相互作用提高金屬材料的阻尼能力和斷裂強韌性，從而實現抗振動疲勞性能的顯著提高。

技術方案：一種激光噴丸與超低溫耦合強化金屬材料振動疲勞性能的方法，步驟如下：

步驟一.將金屬材料表面進行打磨和拋光，然后利用超聲波清洗機將試樣在工業酒精溶液中清洗處理，最后取出利用電吹風吹干；