周期性组织排布增材制造钛合金件疲劳裂纹扩展研究

Additive Manufacturing (AM) technology of large-scale-high-performance metallic integral structures is a leading direction in the 3-D printing field, the breakthrough in which is a significant milestone. The application of this technology to the aerospace industry will revolute the methods to achieve further structural weight reduction and manufacturing cost saving. However, the difference in material texture between the AM alloys and conventional wrought or casting alloys sets new challenges to the damage tolerance evaluation, consequently, restricts the wide application of AM components in the primary load-bearing aircraft structures. In this project, experimental and theoretical investigations and numerical simulations will be carried out to study the crack growth behavior and the dominating mechanical parameters under the fatigue loading for samples manufactured by the Laser Melting Deposition process, which show periodic texture. Emphases will be put on: 1) revealing the relationships and corresponding mechanism between the macroscopic crack growth behavior and the material’s typical texture configuration, the crack tip stress field and their interaction; 2) developing crack growth rate model and crack retardation model for such alloys with periodic texture. The achievements of this project will bring a step change to the damage tolerance design and evaluation approaches for AM fabricated structures, and provide the basis for the integrated material-structure-strength optimal design of the AM alloy to enhance the mechanical performance.

大型、高性能金属整体件增材制造技术是3D打印领域的前沿发展方向，该技术的突破是本领域的重要里程碑，该技术在航空领域的应用为进一步实现结构轻量化、高效低成本化提供了革命性途径。然而，增材制造件区别于传统锻件、铸件的组织特征为该类结构的损伤容限评定带来了挑战，从而制约其在飞机主承力结构中的广泛应用。本项目以呈周期性组织排布的激光熔化沉积增材制造钛合金件为研究对象，对疲劳载荷作用下的裂纹扩展行为及其力学控制参量开展试验研究、理论分析及数值仿真，揭示组织形态、裂尖应力场及其交互作用对宏观疲劳裂纹扩展行为变化的影响规律及相关机理；建立此类具有典型周期性组织排布金属材料的裂纹扩展速率模型、高载迟滞模型。研究结果将为此类结构的损伤容限设计和评定提供基本方法，为以提升力学性能为目标的增材制造件材料-结构-强度一体化设计提供依据。

采用先进的增材制造工艺制造大型金属整体结构是近年来大型飞机结构减重设计和节约成本的重要途径。损伤容限设计理念是保证结构安全性的重要途径，裂纹扩展分析又是损伤容限评定的内容之一。激光熔化沉积工艺使得其材料组织呈现出的显著的周期性、各向异性和不均匀性，而传统断裂力学及疲劳裂纹扩展模型多是基于均匀、各向同性假设所建立，这使得对 LMD 钛合金损伤容限性能的定量评定存在诸多困难，制约了其在主承力结构中的应用。.针对上述问题，本项目采用试验研究、理论分析及数值仿真等多种研究手段，研究了具有周期性组织排布特征的激光熔化沉积钛合金的疲劳裂纹扩展行为，揭示了力学与材料因素对疲劳裂纹扩展交互作用的机理，建立了此类具有典型周期性组织排布金属材料的裂纹扩展速率模型。.在研究过程中，重点在力学因素与材料组织交互作用下的LMD钛合金的疲劳裂纹扩展研究方面取得突破：（1）揭示了恒幅载荷与变幅载荷作用下，材料组织排布与力学因素共同作用对LMD钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律，以及沿厚度方向组织变化对疲劳裂纹扩展行为的影响规律；（2）采用数值仿真方法，分别基于晶体塑性有限元（CPFEM）与近场动力学（PD）建立了LMD钛合金疲劳裂纹扩展路径与裂尖场分析的数值模拟模型，进而分析了材料组织排布参数对疲劳裂纹扩展的影响规律；（3）通过引入周期性组织排布参数建立了LMD钛合金恒幅载荷下的裂纹扩展速率模型，基于裂纹扩展迟滞距离和裂纹张开载荷值修正了变幅载荷下的裂纹扩展迟滞模型，并建立了采用SCTOD-loop作为主控变量的裂纹扩展速率新模型；（4）对LMD钛合金在裂纹扩展过程中出现的偏折与分叉现象进行了深入的研究，进而揭示了疲劳裂纹路径偏折和分叉的相关机理。.本项目的研究成果将为此类周期性组织排布结构的损伤容限评定提供技术支撑，从而为增材制造钛合金件的材料-结构-强度一体化优化设计提供依据。