东北大学研发旋转扩张工艺延长高温合金疲劳寿命

在航空航天材料工程领域，如何延长含有孔洞结构的镍基高温合金（如Inconel 718）的疲劳寿命，始终是一个长期存在的难题。这类含孔结构广泛应用于旋转部件的螺栓和紧固件连接处，但在高温运行产生的反复应力作用下，孔边极易形成应力集中点，进而引发裂纹甚至失效。

目前主流的扩孔强化技术，包括各类喷丸和冷挤压工艺，主要通过在孔壁附近引入压残余应力（CRS）和塑性变形来增强表面完整性。然而，这些传统方法各有局限：喷丸处理往往导致表面粗糙度增加，部分抵消了疲劳性能的提升；而冷挤压则容易在孔边缘产生不均匀的塑性变形和材料堆积。

赫兹接触旋转扩张工艺突破技术瓶颈

针对上述痛点，日本东北大学先进物质研究所（AIMR）的王润子博士及其团队在2025年发表的研究中，提出了一种名为“赫兹接触旋转扩张处理”（HCR-EP）的新工艺。该工艺通过旋转压头施加可控的赫兹接触力，对孔壁进行扩张强化。

研究数据显示，与传统技术相比，HCR-EP工艺能够产生更均匀的塑性变形层和更深的压残余应力层，同时Zui大限度地减少了表面损伤和材料堆积。在高温疲劳测试中，经过HCR-EP处理的Inconel 718试样在高周疲劳 regime 下表现出显著的寿命提升。

压残余应力松弛主导疲劳寿命改善机制

为了深入探究哪种因素主导了疲劳寿命的改善，研究团队采用了中断疲劳测试方法，即在疲劳生命周期的不同阶段暂停试样，以测量其表面完整性的演变。研究发现，尽管塑性变形层和显微硬度在整个过程中保持稳定，但压残余应力在循环载荷下逐渐松弛。这一发现表明，压残余应力的演化是决定疲劳寿命改善的关键机制。

王润子博士指出：“我们的研究代表了疲劳研究范式的转变，从被动地测量和预测损伤，转向主动重塑孔洞结构的材料状态，从而从根本上防止裂纹萌生。这些结果为制造更耐用的耐高温部件提供了一条具有机理支撑的实用路径。”

从“预测损伤”到“主动调控”的理念革新

在个人见解中，王润子博士分享了该研究Zui令他惊讶的发现：HCR-EP工艺的有效性高度依赖于服役条件的严重程度。在较温和的条件下，疲劳寿命提升明显；但随着载荷加剧，这种增益会减弱。这意味着孔洞强化并非“药”，必须与实际工况相匹配。

更值得注意的是，同行们对该研究的广泛影响印象深刻：制造技术不仅可以用于提高强度，还可以用于主动损伤调控。这一观点将疲劳问题从“需要预测的难题”转变为“可通过可控表面状态进行工程化对抗的问题”。未来，研究团队计划开发基于人工智能的框架，将加工参数、表面状态和服务性能链接成闭环工作流，以实现可扩展的数据驱动可靠性设计。

日本的世界国际研究中心（WPI）计划由日本文部科学省于2007年启动，旨在培养具有全球影响力的研究中心。东北大学AIMR作为该计划的一部分，汇聚了物理、化学、材料科学等领域的研究人员，致力于通过前沿研究为社会做出贡献。这一成果不仅展示了日本在基础材料科学领域的深厚积累，也为全球航空航天制造业提供了新的技术参考。

对于中国航空制造企业而言，这一研究揭示了表面完整性管理在延长关键部件寿命中的核心地位。随着国产大飞机及航空发动机自主化进程的加速，单纯依赖材料本身的性能提升已遇瓶颈，转向通过精密制造工艺主动调控应力分布、抑制裂纹萌生，将成为提升产品可靠性和竞争力的关键突破口。中国企业可借鉴其“主动损伤调控”理念，结合本土制造优势，在高端紧固件和旋转部件的强化工艺上寻求差异化创新。