摘要
Inconel718（IN718）镍基合金具备优异的抗疲劳、抗氧化和抗蠕变性能，被广泛用于航空发动机关键零部件的制造。但在高温、高压和交变载荷环境中服役时，材料表面会出现磨损、开裂，从而发生疲劳失效。激光熔覆（LaserCladding，LC）可快速修复损伤件，其修复精度高、结合强度好，但单一的LC修复技术易导致修复区产生气孔、固态开裂等缺陷，难以满足服役要求。激光喷丸（LaserPeening，LP）能在修复区引入塑性变形，改善表层残余应力状态，闭合孔隙，细化晶粒，进而实现应力强化和组织强化，有望弥补损伤件经LC修复后的缺陷，从而提高其服役寿命。 本研究以IN718镍基合金为研究对象，开展激光喷丸强化IN718镍基合金激光熔覆修复件疲劳性能及延寿机理研究，主要工作如下： （1）研究IN718镍基合金LC修复件在经历骤冷骤热、复杂的非平衡物理冶金和形变后，材料内部气孔、固态开裂等缺陷及残余拉应力产生的原因；探索LP处理在IN718镍基合金熔覆层诱导的应力强化、细晶强化及位错强化，理论分析LP消除熔覆层缺陷、残余拉应力的机理；建立疲劳裂纹扩展速率的基本模型，实现LC修复件激光喷丸后疲劳寿命的初步计算，探究激光喷丸强化IN718镍基合金LC修复件抗疲劳性能的增益机理。 （2）以ABAQUS软件为平台，建立激光工艺参数-LC温度场、应力场-LP应力场耦合的数字化模型，模拟LC过程中温度、应力动态变化过程。结果表明：随着激光熔覆道数的增多，基体的最低温度以及熔池最高温度都呈现增大的趋势，熔覆层的等效应力分布呈现阶梯式变化；在此基础上，分析不同激光功率密度下LP对熔覆层残余应力的影响规律，发现LP将熔覆层残余拉应力转变为残余压应力，随着激光功率密度的增加，熔覆层残余压应力的数值和影响层深度也逐渐增加。当激光功率密度达到11.31GW/cm2时，残余压应力的幅值达到了520MPa，影响层的深度达860μm。 （3）采用LC方法修复了预置梯形槽的基体，研究了不同激光功率密度LP对激光熔覆修复件的显微硬度、残余应力状态分布、微观结构的影响规律；开展基体、LC修复样、不同激光功率密度LP试样的疲劳试验，结果表明：LP强化复合LC修复工艺不仅可以修复损伤件，而且可以得到性能比基体更优异的修复件，选择合理的激光工艺参数能够显著提高修复件的疲劳寿命。疲劳断口形貌揭示了LP强化IN718镍基合金修复件诱导的孔隙闭合效应、残余应力、微观结构演变协同的抗疲劳延寿机理，LP能够闭合LC修复件表层形成的多孔微观结构，减少试样表层裂纹源，从而有效地抑制疲劳裂纹在试样表层萌生，使裂纹源从表层向深度方向转移。此外，LP改变了LC试样表面的应力状态，高幅值残余压应力的引入抵消了试验过程中施加的部分拉应力，降低了裂纹尖端有效应力强度因子，提高了裂纹萌生的门槛值；长条状柱状晶向蜂窝状胞状晶的转变，起到了晶粒细化的作用；同时，高密度位错结构的出现，抑制了裂纹扩展，进而提高修复件疲劳寿命。
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