航空发动机叶片与轮盘常采用榫结构连接,发动机工作过程中,榫头/榫槽连接处受离心力及强烈气动载荷影响,接触表面间存在法向压力,同时产生了小幅相对滑动,属于典型的微动疲劳环境,极易导致叶片断裂失效,从而引发灾难性后果。TC4钛合金(Ti-6AI-4V)作为制造发动机风扇叶片及轮盘榫槽的常用材料,在榫结构微动疲劳研究中占据重要地位,解决其微动损伤问题,对国民经济、国防安全意义重大。目前,关于榫结构微动疲劳的研究多集中于微动区磨损形貌的观察,微动区接触应力的计算,微动疲劳寿命的评估,以及新型微动防护技术的开发。然而,现有研究缺乏对榫结构微动疲劳过程中运行模式、损伤机制、裂纹萌生行为等关键特征演变规律的系统分析。此外,新型微动防护技术的开发常通过多技术复合来实现,喷丸作为工业应用最为广泛的微动疲劳防护手段,是众多新型复合处理技术的基础。但学界对于微动疲劳的喷丸强化机理研究仍不够深入,尤其是表面微凸体、表层应变硬化的作用机制,目前尚未明晰。本课题以TC4钛合金榫结构为研究对象,以喷丸及喷丸+CuNiIn涂层复合技术为表面处理方式,对原始、喷丸、复合处理三种表面状态下的试样开展了微动疲劳试验研究。并结合扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、激光共聚焦显微镜(LSCM)等多种检测技术,着重分析了 TC4榫结构微动运行模式、损伤机制、裂纹萌生等特征的演变规律,系统探讨了表面处理前后试样微动损伤行为的主要差异,深入揭示了不同表面完整性因素在微动过程中的微观作用机理和强化机制,以期为TC4榫结构抗微动疲劳设计提供理论依据。主要结论如下:喷丸处理使TC4钛合金试样表面完整性发生了明显改变,引入了表面粗糙度、表层应变硬化、表层残余压应力等因素。喷丸后试样次表层形成了由高塑性应变层向细晶层转变的过渡区,过渡区内位错密度较高,位错运动极为活跃,小角度晶界的形成与演变占据主导,部分晶粒得到了细化。残余应力分布与微观组织形态密切相关,最大残余应力值与位错重排区出现于同一深度,其原因是高密度位错墙的形成使局部位错密度发生突变,导致了位错重排区与相邻层之间存在晶格畸变、系统能量等方面的巨大差异。微动前期,原始及喷丸试样磨损损伤分别以黏着及微凸体剥落为主,原始试样磨损量低于喷丸试样。二者界面摩擦则分别由为分子吸附及机械阻碍作用所主导,原始试样摩擦系数高于喷丸试样,且后者摩擦行为与表面微凸体形态相关,0.3mmA喷丸强度下微凸体顶部平缓,更有利于降低机械摩擦系数fM,改善微动磨损性能。长期微动条件下,原始及喷丸试样磨损损伤均以表面脱层为主,二者磨损量取决于脱层厚度,原始试样脱层厚度达到8 μm,喷丸试样脱层厚度均降至6 μm以下,原始试样磨损量高于喷丸试样。0.3 mmA试样因表层良好的强韧性配合而具有最小脱层厚度(2.5 μm),耐磨性最佳。此外,原始试样中磨损“蚀坑”尺寸较大,“蚀坑”处易引起局部应力集中而导致裂纹形核。喷丸试样中“蚀坑”尺寸显著降低且未见裂纹生成。TC4榫结构的微动运行经历了初期黏着→部分滑移模式→混合滑移模式→完全滑移模式的转变过程。微动损伤机制也经历了整体黏着→中心黏着,边缘脱层→整体脱层的演变过程。在微动过程中,试样内部萌生了多种形式的裂纹,包括:次表层裂纹、“蚀坑”底部裂纹、大角度(50°,80°)倾斜裂纹等。裂纹长度随微动循环次数增加而增长(14μm至35 μm),裂纹数量在混合滑移模式下达到最大值(6条),证实了该模式的出现将对试样微动疲劳性能产生不利影响。喷丸处理后,榫结构试样微动区跃过了部分滑移和混合滑移模式而直接进入完全滑移模式,损伤机制由微凸体脱落快速转为表面脱层。裂纹纹萌生方面,“蚀坑”底部裂纹消失,次表层裂纹依然存在,大角度倾斜裂纹被小角度(20°)倾斜裂纹所取代。通过对Giannakopoulos理论的改进与发展,将残余压应力引入“裂纹近似模型”,结合数值模拟分析及理论计算可知,表层残余压应力的存在是裂纹萌生倾角发生改变的根本原因。此外,喷丸后裂纹扩展受到明显抑制,裂纹长度维持在20 μm左右,且整体裂纹数量较之喷丸前有明显降低。综合看来,表面微凸体、表层应变硬化、表层残余应力分别起到了降低裂纹数量,减少裂纹种类和改变裂萌生倾角,抑制裂纹扩展的作用。喷丸处理使TC4榫结构微动疲劳强度提升了 28.9%。喷丸+CuNiIn涂层复合处理后,TC4榫结构微动前期以CuNiIn涂层的磨损及消耗为主,其消耗方式以次表层裂纹的萌生和扩展以及磨损“蚀坑”的形成和长大为主。CuNiIn涂层的良好塑性使其具有优良的形变容纳及协调能力,可通过自身变形填充表面凹陷部位,使微动形貌趋于光滑平整,还可有效缓和试样接触边缘应力集中,改善局部应力环境,降低裂纹萌生几率。涂层消耗完毕后基体将在喷丸强化因素的作用下继续循环直至断裂失效。复合处理使TC4榫结构微动疲劳强度提升了 17.3%,提升效果略低于喷丸处理,其原因可能来源于两个方面:其一,涂层与基体结合力不佳,导致微动后期涂层几乎完全失效;其二,喷涂过程热效应使喷丸引入的残余压应力发生松弛,对裂纹扩展的抑制作用减弱。若想达到较好的复合强化效果,需合理选择技术组成,同时合理设计工艺参数,以最大限度保留各技术的关键强化因素,如此才有可能实现不同技术的优势互补,达到协同作用目的。