激光增材制造钛合金多尺寸宏/微观组织变形行为与疲劳失效机理研究

This proposal aims at key issues of laser additive manufactured titanium alloy applying efficiently and safely in primary load-bearing aircraft structure. The macro/micro-structure of laser additive manufactured titanium alloy has multi-size feature and is difference with the forge alloy. The following contents are included in this proposal:.1）The multi-grain and multi-phase mesomechanics finite element models are developed on the basis of multi-size macro/micro-structure characterization. The tension, compression and fracture toughness test are conducted and followed by fractographs analysis. The test results are used to verify the finite element model. .2) The deformation behavior of grain, grain boundary and constituent phase is investigated by experimental as well as numerical simulation to reveal the deformation coordination and failure mechanism. .3) The tension-tension fatigue properties are tested. The inner-defect finite element model is developed on the basis of fractographs analysis and defect characterization. The effect of macro/micro-structure deformation on the inner-defect fatigue crack initiation is analyzed to understand the fatigue failure mechanism. .All the samples are deposited by the laser additive manufacture equipment and quality inspection as same as that used in aircraft structure. The results can be used to support the structure safety evaluation and guide the optimization of the macro/micro-structure mechanical properties of the laser additive manufactured titanium alloy, which is significant in science and practical engineering application.

针对激光增材制造钛合金主承力构件高效、安全应用迫切需求，基于激光增材制造钛合金宏/微观组织结构多尺寸特征（明显区别于锻件）开展其变形协调机制和疲劳失效机理研究：.1）在多尺寸宏/微观组织物理表征的基础上，建立多晶粒和晶内多相变形协调的有限元模型，利用拉伸、压缩、断裂韧度等试验和断口分析对模型进行验证；.2）运用该模型研究激光增材制造钛合金宏/微观组织结构的变形行为，揭示其变形协调机制和破坏机理；.3）进行拉-拉疲劳试验，分析确定疲劳源并对缺陷进行表征，在此基础上建立含缺陷的力学有限元模型，研究多尺寸宏/微观组织变形行为对内部缺陷疲劳裂纹萌生规律的影响，掌握其疲劳失效机理，建立疲劳寿命分析方法。.所有试验件均采用已获得型号应用的激光增材制造装备和工艺同批制造和质量检测。研究成果可为激光增材制造钛合金构件安全评定奠定理论基础，也可为其组织性能优化提供参考，具有重要的科学意义和工程实用价值。

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提出,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造是制备高强高韧钛合金，实现大型关键主承力结构整体化的重要技术手段。.项目以扩大激光增材制造钛合金航空主承力结构应用的研究目标，以航空主承力结构中应用的激光增材制造TC11和TA15钛合金为研究对象，对激光增材制造钛合金特有多尺寸宏微观组织进行定量表征，在此基础上建立力学有限元模型，阐明了激光增材制造多尺寸宏微观组织变形协调机制，解释了特种双态组织强韧性匹配机制；对激光增材制造多尺寸宏微观组织钛合金疲劳性能开展研究，阐明了重复载荷作用下特殊显微组织与内部缺陷间的相互作用机制，掌握了激光增材制造钛合金疲劳失效的主要机制及低缺口敏感性的形成机制，建立了疲劳寿命预测方法；对激光增材制造多尺寸宏微观组织钛合金疲劳裂纹扩展性能开展研究，阐明了多尺寸宏微观组织对内部缺陷疲劳裂纹扩展机制，阐明了裂纹扩展速率与扩展路径与多尺寸宏微观组织的关系。.理论方面，阐明了激光增材制造多尺寸宏微观组织变形协调机制，为激光增材制造钛合金组织性能优化提供理论依据和方向指导，提高激光增材制造强韧性匹配特性，工艺稳定性得到大幅提升；方法方面，阐明了重复载荷作用下特殊显微组织与内部缺陷间的相互作用机制，掌握了激光增材制造钛合金疲劳失效的主要机制，通过组织优化降低了激光增材制造钛合金的缺口敏感性，大幅降低了其裂纹扩展速率，建立了疲劳寿命预测评估方法，为激光增材制造钛合金结构安全评定提供了理论基础；工程应用方面，项目积累了大量数据，建立了组织性能和力学性能关系，得到了激光增材制造钛合金强度基准值，有力的支撑了其工程应用。