熱暴露鈦鋁合金在交變載荷下的損傷容限和控制機(jī)制

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(jī)制。在三種熱暴露狀態(tài)下，定量評(píng)估了表面缺陷，應(yīng)力集中，氧化和內(nèi)部組織對(duì)疲勞性能的影響，并揭示出相應(yīng)的內(nèi)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(duì)疲勞抗力的影響，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，為合金在高溫安全應(yīng)用提供了參考依據(jù)。 研究發(fā)現(xiàn)， 1)在熱暴露前, 合金對(duì)表面損傷的敏感性與合金的屈服強(qiáng)度成反向關(guān)系。對(duì)高強(qiáng)度合金，電解拋光優(yōu)于噴丸；對(duì)中、低強(qiáng)度合金，噴丸卻優(yōu)于電解拋光。2) 整體熱暴露導(dǎo)致應(yīng)力弛豫的有益效應(yīng)，同時(shí)又導(dǎo)致熱暴露脆化的有害效應(yīng)。對(duì)高強(qiáng)度合金，有害效應(yīng)大于有益效應(yīng)；對(duì)中、低強(qiáng)度合金， 則相反。 其機(jī)理是：中、低強(qiáng)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(huì)嚴(yán)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(duì)線(xiàn)切割樣品卻無(wú)損害。 總的說(shuō)來(lái)，所有合金的電解拋光均能承受長(zhǎng)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后的疲勞短裂紋行為。結(jié)合長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率門(mén)檻值和光滑樣品疲勞強(qiáng)度，構(gòu)建了Kitagawa-Takahashi點(diǎn)線(xiàn)圖。研究發(fā)現(xiàn)， 所有合金均存在“短裂紋效應(yīng)”：合金的實(shí)際疲勞抗力不同程度地被弱化，既低于光滑樣品的疲勞強(qiáng)度，同時(shí)也低于長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值所確定的水準(zhǔn)。研究發(fā)現(xiàn)，這種“短裂紋效應(yīng)”在高強(qiáng)度合金中明顯，中、低強(qiáng)度合金中次之。長(zhǎng)期熱暴露能導(dǎo)致光滑樣品的疲勞強(qiáng)度和長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值改善，但是， 由于熱暴露引起的組織脆化，所有合金對(duì)“短裂紋效應(yīng)”更加敏感， 發(fā)生“短裂紋效應(yīng)”的非安全尺寸范圍擴(kuò)大。重新定義了保證安全的有效長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值和有效短裂紋過(guò)渡尺寸， 為今后的零件設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。 針對(duì)中低強(qiáng)度合金開(kāi)展了序列熱暴露研究。研究發(fā)現(xiàn)， 中低強(qiáng)度合金含有較少a2層片和極少β (B2 ω)相。 熱暴露時(shí)， 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(xiàn)熱暴露強(qiáng)化。 此項(xiàng)工作填補(bǔ)了多類(lèi)型TiAl合金高溫組織熱穩(wěn)定性研究中的空白。 本項(xiàng)目研究了合金的氧化行為。 氧化的時(shí)間-增重曲線(xiàn)遵守 ”初期快速，中期穩(wěn)衡，后期再增快”的三段式特征。 氧化表面主要包含Al2O3, TiO2 and (Ti, Nb)O2等多種氧化物。力學(xué)性能在氧化后下降不多。

服役中的TiAl合金零件長(zhǎng)期暴露在高溫大氣環(huán)境中(如700C，10000小時(shí))，會(huì)出現(xiàn)三種主要的顯微組織改變：a）內(nèi)部組織分解和相變，b）表面氧化, c）表面外來(lái)異物損傷。本課題將系統(tǒng)研究多種化學(xué)成分的低、中、高強(qiáng)度的合金在長(zhǎng)期大氣熱暴露中發(fā)生的這三種組織變化的特征。研究將針對(duì)三種熱暴露態(tài)來(lái)開(kāi)展：a）無(wú)熱暴露, b）熱暴露內(nèi)部組織變化, c）熱暴露內(nèi)部組織變化＋表面氧化， 揭示在三種熱暴露態(tài)下， 在表面光滑和表面存在缺陷時(shí)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(guò)程中這三種組織變化影響合金的疲勞裂紋萌生抗力的機(jī)制，并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(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，揭示氧化層的形成規(guī)律。通過(guò)對(duì)多種TiAl合金抵抗缺陷和裂紋損傷能力的評(píng)估，通過(guò)探索控制這些行為的內(nèi)在規(guī)律，為T(mén)iAl合金的安全穩(wěn)定的應(yīng)用提供參考。

試驗(yàn)完成后由試驗(yàn)承擔(dān)單位編寫(xiě)疲勞和損傷容限試驗(yàn)的試驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告包括試驗(yàn)總情況及進(jìn)展情況，其主要內(nèi)容為：

①試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)依據(jù)及試驗(yàn)進(jìn)展情況；

②試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)載荷譜、加載方法；

③試驗(yàn)結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障或損傷及對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)數(shù)，損傷的部位及尺寸大小、方向和起止點(diǎn)．裂紋擴(kuò)展規(guī)律；

④剩余強(qiáng)度試驗(yàn)載荷、結(jié)論；

⑤試驗(yàn)件修理情況；

⑥試驗(yàn)結(jié)果、結(jié)論，對(duì)批量生產(chǎn)件必須更改的建}義，對(duì)各種特殊破壞進(jìn)行討論，報(bào)告

附略圖及照片。2100433B

損傷容限分析包括剩余強(qiáng)度分析和損傷增長(zhǎng)分析。剩余強(qiáng)度分析方法，迄今只有含各種缺陷試樣的拉伸剩余強(qiáng)度和含穿透缺陷的厚試樣(破壞前不失穩(wěn))的壓縮剩余強(qiáng)度工程估算方法。含其他缺陷(例如以分層為主要特征的沖擊損傷)試樣的壓縮剩余強(qiáng)度估算，可用基于層間應(yīng)變能釋放率的“分層斷裂力學(xué)”來(lái)解決，但這種方法仍處在研究階段。而對(duì)損傷增長(zhǎng)速率的分析，至今仍沒(méi)有可靠的方法。因此，對(duì)這些問(wèn)題，主要是借助多層次的試驗(yàn)加以解決。

分析中通常采用的簡(jiǎn)化原則包括以下兩點(diǎn)。

①所有分層簡(jiǎn)化為直徑與實(shí)際缺陷最大長(zhǎng)度尺寸相當(dāng)?shù)膱A形分層；

②至少有一層纖維斷裂的各種缺陷/損傷，簡(jiǎn)化為直徑與實(shí)際缺陷/損傷面內(nèi)最大長(zhǎng)度尺寸相當(dāng)?shù)膱A孔。

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為了擺脫沖擊所帶來(lái)的威脅，以沖擊壓縮破壞曲線(xiàn)的門(mén)檻值為基礎(chǔ)確定其設(shè)計(jì)許用應(yīng)變。其結(jié)果是不得不把復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)變限制在很低的水平上，使復(fù)合材料的潛力無(wú)法得到發(fā)揮。實(shí)際上，雖然復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中遇到外來(lái)物沖擊是不可避免的，但終究這種沖擊是局部的。不應(yīng)該為保證這一局部的強(qiáng)度而限制所有未受沖擊的結(jié)構(gòu)部位的工作應(yīng)變，因?yàn)檫@顯然是不合理的，也是過(guò)于保守的。當(dāng)然，問(wèn)題

出在遭受沖擊的部位的隨機(jī)性和不確定性上。為了提高設(shè)計(jì)許用應(yīng)變，一個(gè)很有希望的途徑是，在確定設(shè)計(jì)許用應(yīng)變值時(shí)暫不考慮沖擊這個(gè)因素，而把沖擊損傷直接引人到結(jié)構(gòu)中去設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。然后，考慮到遭受沖擊的部位的隨機(jī)性，把沖擊損傷引入到結(jié)構(gòu)中的最危險(xiǎn)部位，這對(duì)設(shè)計(jì)是偏安全的。這樣就把沖擊影響限制在局部范圍內(nèi)，使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可以在整體上大大提高其工作應(yīng)變，這必將大幅度減輕結(jié)構(gòu)重量。

鑒于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的分析方法還不夠成熟，分析的精度還不能令人滿(mǎn)意，因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性驗(yàn)證顯得尤為重要。

《損傷容限型鈦合金板材》（GB/T 38988-2020）的實(shí)施，有利于滿(mǎn)足中國(guó)航空用損傷容限型鈦合金板材使用，進(jìn)一步推動(dòng)航空航天用鈦合金產(chǎn)品的研制、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用，對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)航空工業(yè)的發(fā)展極具重大意義。