熱暴露鈦鋁合金在交變載荷下的損傷容限和控制機制

《熱暴露鈦鋁合金在交變載荷下的損傷容限和控制機制》是依託西南交通大學，由黃澤文擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：熱暴露鈦鋁合金在交變載荷下的損傷容限和控制機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃澤文
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

服役中的TiAl合金零件長期暴露在高溫大氣環境中(如700C，10000小時)，會出現三種主要的顯微組織改變：（a）內部組織分解和相變，（b）表面氧化, （c）表面外來異物損傷。本課題將系統研究多種化學成分的低、中、高強度的合金在長期大氣熱暴露中發生的這三種組織變化的特徵。研究將針對三種熱暴露態來開展：（a）無熱暴露, （b）熱暴露內部組織變化,（c）熱暴露內部組織變化＋表面氧化， 揭示在三種熱暴露態下， 在表面光滑和表面存在缺陷時這些合金的疲勞裂紋啟裂行為。 本課題的主要目的是確定這些合金的疲勞損傷容忍限度， 揭示熱暴露過程中這三種組織變化影響合金的疲勞裂紋萌生抗力的機制，並定量確定其影響程度。此外，建立多種TiAl合金在大氣熱暴露中的氧化動力學曲線，揭示氧化層的形成規律。通過對多種TiAl合金抵抗缺陷和裂紋損傷能力的評估，通過探索控制這些行為的內在規律，為TiAl合金的安全穩定的套用提供參考。

結題摘要

研究了六種TiAl合金在交變載荷下的疲勞損傷容限和控制機制。在三種熱暴露狀態下，定量評估了表面缺陷，應力集中，氧化和內部組織對疲勞性能的影響，並揭示出相應的內在控制因素。此研究確定了合金抵抗疲勞損傷的能力，揭示了熱暴露對疲勞抗力的影響，建立了相應的資料庫，為合金在高溫安全套用提供了參考依據。 研究發現，（1）在熱暴露前, 合金對表面損傷的敏感性與合金的屈服強度成反向關係。對高強度合金，電解拋光優於噴丸；對中、低強度合金，噴丸卻優於電解拋光。（2）整體熱暴露導致應力弛豫的有益效應，同時又導致熱暴露脆化的有害效應。對高強度合金，有害效應大於有益效應；對中、低強度合金， 則相反。 其機理是：中、低強度合金有較低的a2分解引起的釋氧脆化和B2+ω析出引起的相變脆化。 試樣單體熱暴露+氧化會嚴重引起噴丸樣品的疲勞抗力衰退，有限度地引起拋光樣品性能減低，但對線切割樣品卻無損害。 總的說來，所有合金的電解拋光均能承受長期熱暴露+氧化的不利影響。 本課題還研究了八種合金在熱暴露前後的疲勞短裂紋行為。結合長裂紋擴展速率門檻值和光滑樣品疲勞強度，構建了Kitagawa-Takahashi點線圖。研究發現， 所有合金均存在“短裂紋效應”：合金的實際疲勞抗力不同程度地被弱化，既低於光滑樣品的疲勞強度，同時也低於長裂紋擴展門檻值所確定的水準。研究發現，這種“短裂紋效應”在高強度合金中明顯，中、低強度合金中次之。長期熱暴露能導致光滑樣品的疲勞強度和長裂紋擴展門檻值改善，但是， 由於熱暴露引起的組織脆化，所有合金對“短裂紋效應”更加敏感， 發生“短裂紋效應”的非安全尺寸範圍擴大。重新定義了保證安全的有效長裂紋擴展門檻值和有效短裂紋過渡尺寸， 為今後的零件設計提供了基礎。 針對中低強度合金開展了序列熱暴露研究。研究發現， 中低強度合金含有較少a2層片和極少β (B2+ω)相。 熱暴露時， a2層片的分解和β (B2+ω)的析出也明顯較少。因此，釋氧脆化和相變脆化均較弱。拉伸和疲勞性能下降很少，甚至出現熱暴露強化。 此項工作填補了多類型TiAl合金高溫組織熱穩定性研究中的空白。 本項目研究了合金的氧化行為。 氧化的時間-增重曲線遵守 ”初期快速，中期穩衡，後期再增快”的三段式特徵。 氧化表面主要包含Al2O3, TiO2 and (Ti, Nb)O2等多種氧化物。力學性能在氧化後下降不多。