《工程结构细节疲劳件激光冲击与复合强化关键技术及应用》

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实际工程零部件(车辆/船舶/桥梁/航空航天等)形状各异,不可避免带有一些小孔、圆角、底角、转角、拐角、弯曲边缘区或者其他一些空间结构,以及高载荷、高压、高速旋转和恶劣环境下工作的需求,迫切需要新的表面强化技术。激光冲击强化优势明显,但激光冲击强化技术应用于工程结构细节还存在许多未解决的理论和工程技术难题。大能量激光冲击强化对高强度材料和大厚度件的强化有较显著的效果,但大能量激光冲击容易产生工艺变形,并且价格昂贵,中国大能量激光冲击设备技术较为落后,国外实行技术封锁和设备禁售。因此,研究激光冲击强化设备小型化与采用复合强化技术,满足工程结构细节疲劳件强化要求,有效地降低成本和提高对工艺变形与表面质量的控制,成为迫切的任务和要求。

项目组在国家自然科学基金、国家重大项目子项、国家科工局项目子项基金等5个项目的支持下,以产、学、研结合的创新科研模式,历时9年,取得如下主要成果:

(1)研发了一种小能量激光冲击强化工艺方法,揭示了孔壁应力峰值与功率密度(峰压)的内在联系及其与表面应力的对应关系,以及工程结构细节的三维残余应力调控、疲劳源转移机制、几何效应和外载效应,提出了三维残余应力调控、预测和工艺参数选择原则。

(2)研发了一种激光冲击和超声振动挤压等组合方法和装备,揭示了一定频率、振幅和模态的功率超声与激光冲击波产生的协同强化作用,提出了激光冲击、超声挤压等的复合强化关键技术和方法,解决了小能量激光冲击工艺因不同结构细节、材料和几何尺寸等因素作用存在的固有困难。经过激光冲击复合强化后,增益最小为133.21%,最大可达378.46%,增益稳定,中值疲劳比值置信区间(2.4679,4.9841)。

(3)完成了不同厚度/材料、不同工程结构细节等情况下的一系列S-N曲线的制作和研究。形成了一整套的理论解决方案和工艺技术,在国内首次把激光冲击及复合工艺技术用于型号飞机结构的抗疲劳强化,并创新地应用于电梯设备、码头机械、发动机、阀门等工程结构件。有3项与项目相关的专利转让并成功实施。

项目弥补了激光冲击强化技术不足,打破了国外的技术封锁和设备禁售,开创性地实现了激光冲击和超声振动挤压复合方法和装备,工艺稳定性好,疲劳寿命增益显著,使用可靠性高,社会效益良好。项目具有完全的自主知识产权,有望实现产业化。

近两年新增销售额68478万元,新增利润5148.7万元。获得国家发明专利授权20项,PCT专利2项,发表SCI/EI收录论文44篇(JCR-1区11篇、JCR-2区7篇),“项目具有显著的创造性和实用价值,整体上达到国内领先,国际先进水平”;“工艺技术显著改善了疲劳关键件的寿命,工艺稳定性好,大大提高了主导产品的使用可靠性”。2016年获镇江市产学研奖一等奖,2017年获江苏省优秀研究生工作站。培养博士研究生3人、硕士研究生38人。

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