1、鈦合金滾壓表面完整性及其抗疲勞機理研究鈦合金是葉輪、 葉片、機匣和轉子等一些大型關鍵復雜曲面零部件的常用材 料, 由于在服役過程中承受熱載荷、 氣動載荷以及其它慣性載荷的作用 , 疲勞是引 起這類鈦合金零部件失效的主要原因。 滾壓作為一種通過改善表面完整性從而提 高疲勞性能的有效手段 , 因其具有強化效率高、應力分布均勻、強化層性能穩定 等顯著特點 , 逐步引起了人們廣泛的關注和重視。然而, 目前有關滾壓技術的研究大多集中在表面完整性的改善效果上, 針對如何主動控制滾壓強化效果的研究較少 , 對于滾壓提高零部件的抗疲勞能力的機 理還缺少深入的理解和統一的認識。本文以TA2鈦合金滾壓表面完整性研

2、究為基 礎, 著重研究滾壓強化對疲勞性能的影響及作用機理 , 旨在為鈦合金關鍵零部件 的抗疲勞制造技術提供理論支撐。具體的研究內容及結論如下 :(1) 滾壓工藝試驗研究。 研究了不同的滾壓工藝 參數組合對表面粗糙度和表面顯微硬度的影響規律 ; 對測試結果進行了方差分析 和多元線性回歸分析 , 分別建立了滾柱滾壓工藝參數與表面粗糙度、顯微硬度的 關系模型 , 從而實現了表面粗糙度和顯微硬度的主動控制。對于低塑性滾壓 , 首先研究了關鍵滾壓工藝參數下的滾壓強化效果。研究結 果發現, 低塑性滾壓既有表面光整作用又有表面強化作用。如果進給率較低 , 低塑性滾壓表現出比較好的光整效果。增加油壓、降低滾

3、壓速度和增加滾壓次數 , 低塑性滾壓則表現出表面強化效果。最后,借助X射線衍射儀和金相顯微鏡測試分析了表面強化層不同深度的微觀組織結構特征。 (2) 低塑性滾壓引起的殘余應力分布研究。采用理論和試驗相結合的方法構建了滾壓力計算公式。 借助有限元仿真軟件 采用顯示動力學分析 , 建立了低塑性滾壓三維有限元模型 , 詳細討論了不同的滾 壓工藝參數組合下的殘余應力場分布規律。研究結果表明 ,滾壓次數增加 , 殘余壓應力的深度一直保持增加的趨勢。 油壓 增加, 最大殘余壓應力的位置呈現出逐漸向試樣表面轉移的特點。增加滾壓次數 , 最大殘余應力、最大殘余應力深度和殘余壓應力深度都在增 加, 但是增加的幅

4、度卻在下降。為了定量研究低塑性滾壓試樣材料的塑性變形程 度, 采用殘余應力和應變面積進行表征。基于相似理論和正交試驗結果 , 推導出了滾壓工藝參數與殘余應力、應變面 積之間的關系式。 (3) 滾壓強化 TA2 鈦合金的疲勞裂紋擴展特性。基于斷裂力學理論 , 研究了滾壓強化工藝對疲勞裂紋擴展特性 (應力強度因 子和裂紋擴展速率)的影響機理。利用Forman公式,提出了一種綜合考慮外載荷 和殘余應力對應力強度因子影響的滾壓強化疲勞裂紋擴展壽命方程。為了驗證該方程的有效性，以含預制裂紋的緊湊拉伸(CT)試樣為研究對象， 采用恒幅載荷下的疲勞裂紋擴展速率試驗 , 研究了不同的殘余應力分布下的 TA2

5、鈦合金的裂紋擴展性能。將裂紋擴展壽命的試驗值與理論值進行對比分析 , 發現 理論值偏于保守 . 但用于估算試樣的實際疲勞壽命是安全的。最后, 通過掃描電子顯微鏡 , 對滾壓前后的緊湊拉伸試樣的宏 / 微觀疲勞斷口 形貌特征進行了分析。 試樣斷口形貌證實滾壓強化后疲勞裂紋擴展早期和中期的 速率明顯低于原始試樣。(4)滾壓強化TA2鈦合金的高周疲勞性能。首先,利用量綱分析研究了影響滾 壓強化試樣疲勞性能的關鍵參量。在此分析結果的基礎上 , 針對用微分的方法計算梯度的不足 , 通過引入應力、應變影響因子 , 結合滾壓試樣表面強化層的應力分布規律 , 并綜合考慮綜合考慮 殘余應力、顯微硬度、表面粗糙度、應力梯度、顯微硬度梯度及尺寸效應綜合影響,建立了滾壓強化前后疲勞強度之間的關系模型。 然后,對TA2光滑試樣滾