高温合金GH4169是制作航空发动机高压涡轮盘的关键材料,而航空发动机长期服役于高温、高压、高转速以及高交变负载等工况下,涡轮盘构件的表面完整性影响服役环境下构件的疲劳寿命。残余应力是评价表面完整性特征关键指标,其性质和大小影响零件的疲劳性能。因此,本文针对涡轮盘等关键构件长服役寿命需求,开展GH4169车削-低塑性滚压组合加工表面残余应力及疲劳寿命研究,揭示GH4169车-滚组合加工试样的疲劳特性,为GH4169零件疲劳寿命提高及预测提供理论依据和技术支持。通过建立刀尖圆弧半径与未变形切屑形状的几何模型,揭示刀尖圆弧半径对GH4169车削试样表面残余应力的作用机理;利用X射线衍射原理基于cosα法建立GH4169车削试样应力强度因子幅值预测模型,揭示残余正应力和残余剪切应力对应力强度因子幅值的作用机理;对比分析GH4169车-滚组合加工试样疲劳寿命,阐明影响GH4169组合加工试样疲劳寿命的最显著因素,提出GH4169车-滚组合加工表面材料改性的力学响应和演变模型,实现残余应力的优化与定量控制。首先,研究车削加工参数对GH4169试样表面残余应力的作用机理。通过分析GH4169车削过程中切削力、切削温度的变化以及试样加工表面材料相变,探究影响GH4169车削过程中残余应力产生的主导因素;建立刀尖圆弧半径与未变形切屑形状的几何模型,探究刀尖圆弧半径对试样表面残余应力的作用机理。结果表明:车削速度为50～80 m/min,进给量为0.075～0.15mm/rev时,GH4169试样表面材料未发生相变,即局部金相组织的体积未发生变化,表明了试样加工表面没有产生因相变引起的残余应力。车削速度提高使车削表面温度增加,而切削力和试样表面残余拉应力值并未随之增加,表明了切削力是影响试样加工表面残余应力产生的主导因素;刀尖圆弧半径增加,则切削刃角度和最大切屑厚度减小,导致加工表面压缩塑性变形增加,因而试样表面残余拉应力增加。其次,研究了 GH4169车削表面残余应力对裂纹尖端应力强度因子的作用机理。利用X射线衍射原理基于cosα法提出残余剪切应力的计算公式,考虑残余正应力和残余剪切应力的影响建立裂纹源区裂纹尖端应力强度因子幅值模型,预测考虑残余正应力和残余剪切应力影响的裂纹尖端应力强度因子幅值并进行验证,揭示残余正应力和残余剪切应力对裂纹尖端应力强度因子幅值的作用机理。结果表明:沿单一方向的表面残余应力不是评估GH4169试样疲劳寿命的合适指标,考虑残余正应力和残余剪切应力计算的等效应力是评估GH4169试样疲劳寿命的合适指标。等效应力降低5.2%,试样疲劳寿命增加39.4%;考虑残余剪切应力所计算的△K值与GH4169疲劳裂纹扩展门槛值△Kth具有一致性,而未考虑残余剪切应力的Moussaoui模型计算的△K值比门槛值△Kth高30%～37%。然后,通过研究不同车-滚组合加工工艺条件下GH4169表面粗糙度、显微硬度及残余应力的变化,表明滚压力对试样表面完整性特征的影响规律;根据高压涡轮盘疲劳失效特点,对试样进行低周疲劳试验,探究影响车-滚组合加工试样疲劳寿命的最显著因素;基于疲劳试样的宏、微观断口特征分析,探究车-滚组合加工试样低周疲劳裂纹萌生机制,获得车-滚组合加工试样的低周疲劳特性。结果表明:滚压力对最小主残余应力影响最大,其次是表面粗糙度,对显微硬度影响不显著。最小主残余应力是影响车-滚组合加工GH4169试样疲劳寿命的最显著因素。车削加工试样疲劳裂纹萌生于表面“剥落或凹坑”,而滚压加工试样疲劳裂纹萌生于表面“小斑块”,滚压过程中表面材料塑性流动行为不充分,形成残留的微小“斑块”;滚压加工试样裂纹扩展率比车削加工试样降低了 23.0%～38.7%,这表明滚压加工产生的残余压应力延缓了裂疲劳纹的扩展速度并延长试样疲劳寿命。最后,基于赫兹点接触理论建立滚压加工表面应力计算模型;考虑车削加工引起的初始残余应力,利用应力叠加原理构建等效应力计算模型;根据每道加工工序的独立“加载-卸载”闭环效应,考虑高温合金GH4169材料的各向同性硬化和随动硬化特性提出车-滚组合加工表面材料改性的力学响应和演变模型,揭示车削加工引起的初始残余应力和滚压参数对高温合金GH4169车-滚组合加工表面残余应力的作用机理。结果表明:未考虑车削加工引起的初始残余应力影响时,残余应力理论预测值远低于实测值。当考虑初始残余应力的影响时,残余应力计算值与实测值相吻合,这表明上道工序引起的初始残余应力直接影响下道工序产生的残余应力;考虑材料的各向同性-运动硬化特性时,残余应力理论预测值与实测值更接近;滚压力增加,接触中心最大压力P0增加,接触区域塑性半径增大,使表面残余压应力值增加;滚压球直径增加,接触中心最大压力P0减小,导致表面残余压应力值减小;与滚压力相比,滚压球直径对表面残余压应力值和残余压应力影响层深度的影响更显著;滚压力和滚压球直径均对残余压应力峰值影响不显著。