热暴露钛铝合金在交变载荷下的损伤容限和控制机制

研究了六种TiAl合金在交变载荷下的疲劳损伤容限和控制机制。在三种热暴露状态下，定量评估了表面缺陷，应力集中，氧化和内部组织对疲劳性能的影响，并揭示出相应的内在控制因素。此研究确定了合金抵抗疲劳损伤的能力，揭示了热暴露对疲劳抗力的影响，建立了相应的数据库，为合金在高温安全应用提供了参考依据。 研究发现， 1)在热暴露前, 合金对表面损伤的敏感性与合金的屈服强度成反向关系。对高强度合金，电解抛光优于喷丸；对中、低强度合金，喷丸却优于电解抛光。2) 整体热暴露导致应力弛豫的有益效应，同时又导致热暴露脆化的有害效应。对高强度合金，有害效应大于有益效应；对中、低强度合金， 则相反。 其机理是：中、低强度合金有较低的a2分解引起的释氧脆化和B2 ω析出引起的相变脆化。 试样单体热暴露 氧化会严重引起喷丸样品的疲劳抗力衰退，有限度地引起抛光样品性能减低，但对线切割样品却无损害。 总的说来，所有合金的电解抛光均能承受长期热暴露 氧化的不利影响。 本课题还研究了八种合金在热暴露前后的疲劳短裂纹行为。结合长裂纹扩展速率门槛值和光滑样品疲劳强度，构建了Kitagawa-Takahashi点线图。研究发现， 所有合金均存在“短裂纹效应”：合金的实际疲劳抗力不同程度地被弱化，既低于光滑样品的疲劳强度，同时也低于长裂纹扩展门槛值所确定的水准。研究发现，这种“短裂纹效应”在高强度合金中明显，中、低强度合金中次之。长期热暴露能导致光滑样品的疲劳强度和长裂纹扩展门槛值改善，但是， 由于热暴露引起的组织脆化，所有合金对“短裂纹效应”更加敏感， 发生“短裂纹效应”的非安全尺寸范围扩大。重新定义了保证安全的有效长裂纹扩展门槛值和有效短裂纹过渡尺寸， 为今后的零件设计提供了基础。 针对中低强度合金开展了序列热暴露研究。研究发现， 中低强度合金含有较少a2层片和极少β (B2 ω)相。 热暴露时， a2层片的分解和β (B2 ω的析出也明显较少。因此，释氧脆化和相变脆化均较弱。拉伸和疲劳性能下降很少，甚至出现热暴露强化。 此项工作填补了多类型TiAl合金高温组织热稳定性研究中的空白。 本项目研究了合金的氧化行为。 氧化的时间-增重曲线遵守 ”初期快速，中期稳衡，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等多种氧化物。力学性能在氧化后下降不多。

服役中的TiAl合金零件长期暴露在高温大气环境中(如700C，10000小时)，会出现三种主要的显微组织改变：a）内部组织分解和相变，b）表面氧化, c）表面外来异物损伤。本课题将系统研究多种化学成分的低、中、高强度的合金在长期大气热暴露中发生的这三种组织变化的特征。研究将针对三种热暴露态来开展：a）无热暴露, b）热暴露内部组织变化, c）热暴露内部组织变化＋表面氧化， 揭示在三种热暴露态下， 在表面光滑和表面存在缺陷时这些合金的疲劳裂纹启裂行为。 本课题的主要目的是确定这些合金的疲劳损伤容忍限度， 揭示热暴露过程中这三种组织变化影响合金的疲劳裂纹萌生抗力的机制，并定量确定其影响程度。此外，建立多种TiAl合金在大气热暴露中的氧化动力学曲线，揭示氧化层的形成规律。通过对多种TiAl合金抵抗缺陷和裂纹损伤能力的评估，通过探索控制这些行为的内在规律，为TiAl合金的安全稳定的应用提供参考。

试验完成后由试验承担单位编写疲劳和损伤容限试验的试验报告，报告包括试验总情况及进展情况，其主要内容为：

①试验目的、试验内容、试验依据及试验进展情况；

②试验方法、试验设备、试验载荷谱、加载方法；

③试验结构在试验中出现的故障或损伤及对应的载荷循环数，损伤的部位及尺寸大小、方向和起止点．裂纹扩展规律；

④剩余强度试验载荷、结论；

⑤试验件修理情况；

⑥试验结果、结论，对批量生产件必须更改的建}义，对各种特殊破坏进行讨论，报告

附略图及照片。2100433B

损伤容限分析包括剩余强度分析和损伤增长分析。剩余强度分析方法，迄今只有含各种缺陷试样的拉伸剩余强度和含穿透缺陷的厚试样(破坏前不失稳)的压缩剩余强度工程估算方法。含其他缺陷(例如以分层为主要特征的冲击损伤)试样的压缩剩余强度估算，可用基于层间应变能释放率的“分层断裂力学”来解决，但这种方法仍处在研究阶段。而对损伤增长速率的分析，至今仍没有可靠的方法。因此，对这些问题，主要是借助多层次的试验加以解决。

分析中通常采用的简化原则包括以下两点。

①所有分层简化为直径与实际缺陷最大长度尺寸相当的圆形分层；

②至少有一层纤维断裂的各种缺陷/损伤，简化为直径与实际缺陷/损伤面内最大长度尺寸相当的圆孔。

复合材料结构为了摆脱冲击所带来的威胁，以冲击压缩破坏曲线的门槛值为基础确定其设计许用应变。其结果是不得不把复合材料结构的工作应变限制在很低的水平上，使复合材料的潜力无法得到发挥。实际上，虽然复合材料结构在制造和使用过程中遇到外来物冲击是不可避免的，但终究这种冲击是局部的。不应该为保证这一局部的强度而限制所有未受冲击的结构部位的工作应变，因为这显然是不合理的，也是过于保守的。当然，问题

出在遭受冲击的部位的随机性和不确定性上。为了提高设计许用应变，一个很有希望的途径是，在确定设计许用应变值时暂不考虑冲击这个因素，而把冲击损伤直接引人到结构中去设计复合材料结构。然后，考虑到遭受冲击的部位的随机性，把冲击损伤引入到结构中的最危险部位，这对设计是偏安全的。这样就把冲击影响限制在局部范围内，使复合材料结构可以在整体上大大提高其工作应变，这必将大幅度减轻结构重量。

鉴于复合材料结构的分析方法还不够成熟，分析的精度还不能令人满意，因此，复合材料结构的完整性验证显得尤为重要。

《损伤容限型钛合金板材》（GB/T 38988-2020）的实施，有利于满足中国航空用损伤容限型钛合金板材使用，进一步推动航空航天用钛合金产品的研制、设计、生产和应用，对中国国内航空工业的发展极具重大意义。