SELF-SIMILAR PATTERNS OF STRUCTURE FORMATION AND ASSESSMENT OF THE RESOURCE OF AVIATION ENGINE ALLOYS UNDER CONSECUTIVE SHOCK WAVE AND FATIGUE LOADS

Abstract


Обсуждаются критерии оптимизации режимов ударно-волновой обработки для повышения усталостного ресурса сплавов авиационного моторостроения, основанные на учете автомодельности пластических волновых фронтов и кинетики роста усталостных трещин. Показано, что закономерности автомодельности, отраженные в степенных зависимостях структурированных волновых фронтов при амплитудах ударного импульса 1-10 ГПа и скоростях деформации 105-109 с-1, соответствуют «инвариантам действия», определяющим диссипативные свойства (stored energy) материалов, обусловленные многомасштабным развитием дефектов. Показана связь волновых «инвариантов действия» с инвариантными параметрами, характеризующими степенную кинетику развития усталостных трещин. Исследована связь структурных масштабов материала с «инвариантами действия». Количественный фрактографический анализ с использованием данных интерферометрии поверхностей разрушения позволил идентификацию структурных масштабов для определения «инвариантов действия», определяющих кинетику развития усталостных трещин в материалах после ударно-волновой обработки. Развиты методические основы исследования поведения материалов при последовательных ударно-волновых и усталостных воздействиях, позволяющие оптимизацию процессов ударно-волновой проковки (LSP – Laser Shock Peening) для обеспечения максимального усталостного ресурса. Применительно к LSP-обработкам материалов авиационного моторостроения показана необходимость реализации полного исследовательского цикла, включающего: - проведение экспериментов по плосковолновому нагружению для получения стандартных образцов с параметрами нагружения, прогнозируемыми для режимов LSP; - проведение стандартных усталостных испытаний на образцах, подвергнутых ударно-волновому нагружению, в сочетании с методами структурного анализа; -обоснование моделей, описывающих структурированные волновые фронты, для исследования LSP воздействия и кинетики развития усталостных трещин с последующим изучением влияния этого воздействия на усталостные свойства на основе прогнозируемых режимов LSP по данным модельных экспериментов, результатов структурного анализа; использование «инвариантов действия» в качестве параметров оптимизации режимов LSP.

Full Text

Ударно-волновое (УВ) нагружение металлических материалов, индуцированное лазерным воздействием (LSP-режимы), является перспективным методом обработки приповерхностных слоев, наиболее подверженных развитию усталостных дефектов и динамическому воздействию конструкций в аэрокосмической области, авиационном моторостроении. УВ инициируются высокоэнергетическим лазерным импульсом наносекундной длительности (мощность 1–15 Дж, длительность 20 нс) в условиях абляции в нанесенной на обрабатываемый материал металлической фольге, образования плазменного факела, инициирующего ударный импульс сжатия (со скоростями деформации на фронте 106 - 109 с-1 c длительностью 5 - 20 нс) в обрабатываемой мишени (конструкции) на глубину нескольких миллиметров с формированием структуры металла (сплава), обеспечивающих повышение усталостного ресурса и динамической прочности [1, 2]. Ударно-волновой импульс с амплитудой давления, превышающей предел упругости Гюгонио (HEL), приводит к структурообразованию в интенсивных полях пластической деформации, которые могут влиять на усталостные свойства и динамическое сопротивление материалов и конструкций в процессе эксплуатации (например, лопаток вентиляторов газотурбинных авиационных двигателей в полетном цикле, включая критические ситуации случайного соударения с посторонними предметами ( Foreign Object Damage) [3, 4]. В целом, эксперименты демонстрируют сложность явления нагружения материала в условиях LCP вследствие специфики механизмов деформирования и разрушения при ударно-волновом нагружении, когда последовательно реализуются структурные механизмы релаксации, характерные как для вязкого, так и хрупкого разрушения при изменении вида напряженного состояния в волне сжатия и разрежения. При этом фундаментальное значение имеет установление связи закономерностей формирования упруго-пластического фронта со структурно-обусловленными механизмами релаксации и, как следствие, микроструктурой металлов после прохождения ударно-волнового импульса, а также исключение ситуаций, сопровождающихся формированием локализованной поврежденности, предшествующей зарождению откола, что может привести к критическим ситуациям в полетном цикле вследствие резкого снижения усталостного ресурса. Для решения данной проблемы необходимо проведение фундаментальных исследований по связи закономерностей формирования упруго-пластического фронта, изменения структуры материалов в сопоставлении с данными экспериментов по ударно-волновому нагружению материалов методом LSP и баллистических установках с «in situ” регистрацией параметров ударно-волнового импульса (массовой скорости тыльной поверхности образцов-мишеней) методом допплеровской интерферометрии VISAR [5]. Оптимизация режимов лазерной ударно-волновой проковки применительно к обработке материалов и конструкций авиационного моторостроения предполагает методологическое обеспечение двух режимов нагружения материалов – ударно-волнового, инициируемого лазерным воздействием, и последующих нагружений, имитирующих работу конструкций при эксплуатации. Типичными условиями нагружения являются усталостные, а также условия случайного соударения с посторонними предметами [6]. С учетом характерных параметров ударно-волнового нагружения в условиях лазерного воздействия при режимах LSP (амплитуды ~ 1-10 ГПа) [1,7-10], параметры, обеспечивающие связь структурных изменений в ударной волне и используемые для оценки усталостного ресурса, должны основываться на инвариантных характеристиках, отражающих связь изменений структуры материала с параметрами волнового фронта, кинетикой усталостного разрушения и позволяющих оценку ресурса. Целью настоящей работы является обоснование инвариантных параметров для обоих типов нагружения и использование данного подхода для оптимизации режимов LSP применительно к обработке сплавов авиационного моторостроения. Фундаментальной основой являются результаты оригинальных экспериментальных исследований и моделирования поведения материалов при последовательных динамических (ударно-волновых) и усталостных (много- и сверхмногоцикловые) режимах нагружения. Это позволило установить связь автомодельных закономерностей формирования пластических волновых фронтов с стадийностью зарождения и развития усталостных трещин в нагруженных образцах и масштабными инвариантами, характеризующими структуру материалов, обеспечивающую различную длительную прочность. Результаты оригинальных широкодиапазонных экспериментов позволили предложить модели процессов ударно-волнового и усталостного разрушения, учитывающие структурные факторы [11, 12]. В связи с трудностями регистрации параметров ударно-волнового нагружения в режимах LSP (малый размер пятна для реализации плоско-волнового нагружения и проведения измерений методами допплеровской интерферометрии VISAR) методологическое обеспечение LSP режимов основано на измерении параметров ударно-волнового импульса при плосковолновом нагружении массивной мишени и обработке данных с целью определения инвариантов, характеризующих формирование автомодельных пластических фронтов, и соответствующей им структуры материала, формируемой при распространении ударно-волнового импульса в мишени. Состояние материала исследуется на образцах, изготовленных из массивной мишени, в режимах много- и сверхмногоциклового нагружения, включая стадию зарождения, распространения усталостной трещины и разделения образца с последующим количественным анализом морфологии поверхности разрушения методом интерференционной профилометрии и определения масштабных инвариантов, характеризующих стадии зарождения усталостной трещины и ее распространения. На основе сопоставления данных ударно-волнового нагружения в терминах инвариантов действия и масштабных инвариантов, характеризующих режимы ударно-волновой обработки и стадийность усталостного разрушения, обсуждается подход по оптимизации условий лазерной обработки для обеспечения необходимого ресурса конструкций авиационного моторостроения.

About the authors

O. B Naimark

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural branch of RAS, Perm, Russian Federation

A. N Balakhnin

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural branch of RAS, Perm, Russian Federation

M. V Bannikov

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural branch of RAS, Perm, Russian Federation

V. A Oborin

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural branch of RAS, Perm, Russian Federation

S. V Uvarov

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural branch of RAS, Perm, Russian Federation

A. D Yurina

Institute of Continuous Media Mechanics of Ural branch of RAS, Perm, Russian Federation

References

  1. Ruschau J.J., John R., Thompson S.R., Nicholas T. Fatigue crack nucleation and growth rate behavior of laser shock peened titanium, Int. J. Fatigue, 1999, no. 21, pp.199–S209, http://dx.doi.org/10.1016/S0142-1123(99)00072-9
  2. Sundar R, Ganesh P, Gupta R. K., Ragvendra G, Pant B. K., Kain V., Ranganathan K, Kaul R., Bindra K. S. Laser Shock Peening and its Applications: A Review. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2019, no 6, pp. 424–463 https://doi.org/10.1007/s40516-019-00098-8
  3. Nicolas T. Critical issues in high cycle fatigue. International Journal of Fatigue, 1999, no. 21, pp. 221–231
  4. Peters J. O., Ritchie R. O. Influence of foreign object damage on crack initiation and early crack growth during high-cycle fatigue of Ti-6Al-4V. Eng. Fract. Mech, 2000, vol. 67, pp. 193-207
  5. Asay J.R. The use of shock-structure methods for evaluating high-pressure material properties. Int. J. Impact Engng., 1997, vol. 20, pp. 27-61
  6. Chen Xi. Foreign object damage on the leading edge of a thin blade. Mechanics of Materials, 2005, Vol. 37, pp. 447–457
  7. Qi S., Bao H, Shen Y. Numerical investigation on spall fracture in a metallic material caused by laser shock peening. Materials Today Communications, 2022, no.33, pp.104343
  8. Ledon D., Balakhnin A., Uvarov S., Bannikova I., Bayandin Yu., Naimark O. Behavior of Zr–1Nb alloy in coarse- and ultrafine-grain states under laser-induced shock wave loading. Fracture and Structural Integrity, 2023, vol. 17, no. 66, pp.164–177. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.66.10
  9. Righi G., Ruestes C.J., Stan C.V., Ali S.J., Rudd R.E., Kawasaki M., Park H.-S., Meyers M.A. Towards the ultimate strength of iron: spalling through laser shock. Acta Mater., 2021, vol.215, p. 117072, http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.
  10. Zhang I., Huang Y., Shu H., Chen B., Chen X., Ma Y., Liu W. Spallation damage of 90W-Ni-Fe alloy under laser-induced plasma shock wave. J. Mater. Res. Technol., 2022 http://dx.doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.01.090
  11. Naimark O. B., Bayandin Yu V, Zocher M. A. Collective properties of defects, multiscale plasticity, and shock induced phenomena in solids. Physical Mesomechanics, 2017, no.20, pp. 10-30
  12. Naimark O., Oborin V., Bannikov M., Ledon D. Critical Dynamics of Defects and Mechanisms of Damage-Failure Transitions in Fatigue. Materials, 2021, vol.14(10), p.2554
  13. Naimark O.B., Collective Properties of Defect Ensembles and Some Nonlinear Problems of Plasticity and Fracture, Phys. Mesomech., 2003, vol. 6, no. 4, pp. 39–63
  14. Swegle J.W., Grady D.E. Shock viscosity and the prediction of shock wave rise times. J.Appl.Phys., 1985, vol. 58, no.2, pp.692-701
  15. Grady D.E. Structured shock waves and the fourth power law. Journal of Applied Physics, 2010, vol. 107(1), pp.013506-013506-13. https://doi.org/ 10.1063/1.3269720
  16. Rittel D., Zhang L.H., Osovski S. The dependence of the Taylor–Quinney coefficient on the dynamic loading mode. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2017, vol. 107, pp. 96-114. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2017.06.01
  17. Bathias C., Paris P.C. Gigacycle Fatigue in Mechanical Practice. Marcel Dekker Publisher Co., 2005, 328 p.
  18. Oborin V., Bannikov M., Naimark O., Palin-Luc T. Scaling invariance of fatigue crack growth in gigacycle loading regime. Technical Physics Letters, 2010, Vol. 36, No.11, pp. 1061-1063. doi: 10.1134/S106378501011026X
  19. Marines-Garcia I. et al. Fatigue crack growth from small to large cracks on very high cycle fatigue with fish-eye failures. Eng. Fract. Mech., 2008, Vol. 75, No.6, pp. 1657-1665. doi: 10.1016/j.engfracmech.2007.05.01
  20. Mao J. Lu, W., Hu, D., Pan, J., Si, W., Liu, J. Wang, R. Experimental and Numerical Investigation on Fatigue Limit Improvement of Laser Shock Peening on Airfoil Specimens Subjected to Foreign Object Damage. Fatigue Fracture of Engineering Materials Structures, 2025, Vol. 48, pp. 2477-2494
  21. Bannikov M.V., Oborin V.A., Bilalov D.A., Naimark O.B. Nonlinear dynamics and stages of damage of TI6AL4V and TI45NB titanium alloys in very high cycle fatigue. PNRPU Mechanics Bulletin, 2020, Is.2, P.145-153 https://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.2.12
  22. Naimark O., Oborin V., Bannikov M. Self-similarity of damage-failure transition and the power laws of fatigue crack advance. Frattura ed Integrità Strutturale, 2024, vol.70, pp.272-285; doi: 10.3221/IGF-ESIS.70.16
  23. Spanrad S., Tong J. Characterisation of foreign object damage (FOD) and early fatigue crack growth in laser shock peened Ti–6Al–4V aerofoil specimens. Materials Science and Engineering A, 2011, Vol. 528, pp. 2128–2136
  24. Oakley S.Y., Nowell D. Prediction of the combined high- and low-cycle fatigue performance of gas turbine blades after foreign object damage. Int. J. of Fatigue, 2007, Vol. 29, pp. 69–80
  25. Nowell D., Duó P., Stewart I.F. Prediction of fatigue performance in gas turbine blades after foreign object damage. Int. J. of Fatigue, 2003, Vol. 25, pp. 963-969
  26. Taylor D., Cornetti P., Pugno N. The fracture mechanics of finite crack extension. Engng. Fract. Mech., 2005, vol.72, pp.1021–38
  27. Taylor D., Cornetti P. Finite fracture mechanics and the theory of critical distances, in “Advances in Fracture and Damage Mechanics IV. EC”. In: Aliabadi M.H.(Ed.). Eastleigh UK, 2005, 565–70
  28. Taylor D. The theory of critical distances. Engng, Fract. Mech., 2008, vol.75, pp.1696-1705.
  29. Susmel L. The theory of critical distances: a review of its applications in fatigue. Engng. Fract. Mech., 2008, vol.75, pp.1706-1724
  30. Zaiser M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids. Advances in Physics, 2006, vol. 55, pp. 185–245.
  31. Bouchaud E. Scaling properties of cracks. J. Phys. Condens. Matter, 1997, vol. 9, pp. 4319– 4344
  32. Bannikov M., Oborin V., Bayandin Yu., Ledon D., Kiselkov D., Savinykh A., Garkushin G., Razorenov S., Naimark O. Damage-failure transition under consecutive dynamic and very high cycle fatigue loads. J. Appl. Phys., 2022, vol. 131, p.135902
  33. Shanyavskiy, A.A., Nikitin, A.D. Palin-Luc, T. Very High Cycle Fatigue of D16T Aluminum Alloy. Phys Mesomech, 2021, No. 24, pp. 77–84. doi: 10.1134/S102995992101011
  34. Nikitin I.S., Nikitin A.D., Stratula B.A. Damage development under very-high-cycle fatigue regime. PNRPU Mechanics Bulletin, 2020, No. 4, pp. 120-129. doi: 10.15593/perm.mech/2020.4.1
  35. Nikitin, I.S., Nikitin, A.D. Stratula, B.A. A Comprehensive Study of Fatigue Crack Initiation and Growth under Very High Cycle Torsional Fatigue Loading. Phys Mesomech , 2023, No. 26, pp. 523–532. https://doi.org/10.1134/S1029959923050053
  36. John H. Cantrell, William T. Yost. Nonlinear ultrasonic characterization of fatigue microstructures. Int. J. of Fatigue, 2001, vol. 23., pp. 487–490
  37. Ritchie R.O. Incomplete self-similarity and fatigue-crack growth. Int.J. of Fracture, 2005, vol.132, pp.197–203
  38. Hertzberg R. W. On the calculation of closure-free fatigue crack propagation data in monolithic metal alloys. Materials Science and Engineering: A, 1995, vol.190, no. 1–2, pp. 25-32
  39. Marines-Garcia I., Paris P.C., Tada H., Bathias C. Fatigue crack growth from small to long cracks in very-high-cycle fatigue with surface and internal “fish-eye” failures for ferrite-perlitic low carbon steel SAE 8620. Materials Science and Engineering: A., 2007, vol. 468–470, pp. 120-128
  40. Kolobov Yu.R., Manokhin S.S, Betekhtin V.I., Kadomtsev A.G., Narykova M.V., Odintsova G.V., Khramov G.V. Investigation of the effect of nanosecond laser pulses processing on the microstructure and fatigue resistance of commercially pure titanium. Technical Physics Letters, 2022, no. 48, pp.56-5

Statistics

Views

Abstract - 13

PDF (Russian) - 7

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2025 Naimark O.B., Balakhnin A.N., Bannikov M.V., Oborin V.A., Uvarov S.V., Yurina A.D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies