熱暴露鈦鋁合金在交變載荷下的損傷容限和控制機制結題摘要

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(tài)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，并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，建立了相應的數(shù)據(jù)庫，為合金在高溫安全應用提供了參考依據(jù)。 研究發(fā)現(xiàn)， 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系。對高強度合金，電解拋光優(yōu)于噴丸；對中、低強度合金，噴丸卻優(yōu)于電解拋光。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，有害效應大于有益效應；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后的疲勞短裂紋行為。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(fā)現(xiàn)， 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，既低于光滑樣品的疲勞強度，同時也低于長裂紋擴展門檻值所確定的水準。研究發(fā)現(xiàn)，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， 由于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(fā)生“短裂紋效應”的非安全尺寸范圍擴大。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， 為今后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(fā)現(xiàn)， 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(xiàn)熱暴露強化。 此項工作填補了多類型TiAl合金高溫組織熱穩(wěn)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(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。力學性能在氧化后下降不多。

服役中的TiAl合金零件長期暴露在高溫大氣環(huán)境中(如700C，10000小時)，會出現(xiàn)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(tǒng)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(fā)生的這三種組織變化的特征。研究將針對三種熱暴露態(tài)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(tài)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，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力學曲線，揭示氧化層的形成規(guī)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(guī)律，為TiAl合金的安全穩(wěn)定的應用提供參考。

試驗完成后由試驗承擔單位編寫疲勞和損傷容限試驗的試驗報告，報告包括試驗總情況及進展情況，其主要內容為：

①試驗目的、試驗內容、試驗依據(jù)及試驗進展情況；

②試驗方法、試驗設備、試驗載荷譜、加載方法；

③試驗結構在試驗中出現(xiàn)的故障或損傷及對應的載荷循環(huán)數(shù)，損傷的部位及尺寸大小、方向和起止點．裂紋擴展規(guī)律；

④剩余強度試驗載荷、結論；

⑤試驗件修理情況；

⑥試驗結果、結論，對批量生產(chǎn)件必須更改的建}義，對各種特殊破壞進行討論，報告

附略圖及照片。2100433B

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

分析中通常采用的簡化原則包括以下兩點。

①所有分層簡化為直徑與實際缺陷最大長度尺寸相當?shù)膱A形分層；

②至少有一層纖維斷裂的各種缺陷/損傷，簡化為直徑與實際缺陷/損傷面內最大長度尺寸相當?shù)膱A孔。

復合材料結構為了擺脫沖擊所帶來的威脅，以沖擊壓縮破壞曲線的門檻值為基礎確定其設計許用應變。其結果是不得不把復合材料結構的工作應變限制在很低的水平上，使復合材料的潛力無法得到發(fā)揮。實際上，雖然復合材料結構在制造和使用過程中遇到外來物沖擊是不可避免的，但終究這種沖擊是局部的。不應該為保證這一局部的強度而限制所有未受沖擊的結構部位的工作應變，因為這顯然是不合理的，也是過于保守的。當然，問題

出在遭受沖擊的部位的隨機性和不確定性上。為了提高設計許用應變，一個很有希望的途徑是，在確定設計許用應變值時暫不考慮沖擊這個因素，而把沖擊損傷直接引人到結構中去設計復合材料結構。然后，考慮到遭受沖擊的部位的隨機性，把沖擊損傷引入到結構中的最危險部位，這對設計是偏安全的。這樣就把沖擊影響限制在局部范圍內，使復合材料結構可以在整體上大大提高其工作應變，這必將大幅度減輕結構重量。

鑒于復合材料結構的分析方法還不夠成熟，分析的精度還不能令人滿意，因此，復合材料結構的完整性驗證顯得尤為重要。

《損傷容限型鈦合金板材》（GB/T 38988-2020）的實施，有利于滿足中國航空用損傷容限型鈦合金板材使用，進一步推動航空航天用鈦合金產(chǎn)品的研制、設計、生產(chǎn)和應用，對中國國內航空工業(yè)的發(fā)展極具重大意義。