多元强化钛基复合材料高温疲劳断裂机理研究

The fatigue mechanism of hybrid-reinforced titanium matrix composites (HRTMC) is of great importance for guiding the design of this kind of materials and promoting their application in aero-space industry. However, the fatigue behavior of TMC with three kinds of reinforcements is complicated and not fully understood. In the present research, it is planned to study the fatigue behavior of TMCS with one and two kinds reinforcements first, then the fatigue behavior of three kinds of reinforcements is examined to reveal the effects of reinforcements shape, size and volume fraction on fatigue behavior. Moreover, the fatigue crack growth rate of TMCS with three kinds of reinforcements is examined at different temperatures and stress intensity factors to reveal the effects of temperature and stress. At last, the crack growth path and stress/strain filed at the crack tip is studied and compared to reveal the effects of different kinds of reinforcements and thermal-mechanical parameters on the fatigue behavior of TMCs with three kinds of reinforcements.

揭示多元混杂强化钛基复合材料的高温疲劳断裂机理，对于指导此类材料的设计及推动其在航空航天领域的广泛应用具有重要的意义。针对三元混杂强化钛基复合材料的高温疲劳行为复杂，材料的疲劳断裂机理不明的问题，项目拟在研究单元及二元强化钛基复合材料疲劳行为的基础上，进一步研究三元强化钛基复合材料的疲劳行为，区分形状不同，尺寸各异的增强体对材料的疲劳裂纹扩展速率的复合作用规律。同时，测量三元混杂强化钛基复合材料在不同温度及不同应力强度因子幅值下的疲劳裂纹扩展速率，研究环境温度及应力对材料裂纹扩展的作用规律。最终，结合高温疲劳裂纹扩展路径及裂纹尖端塑性变形机理的对比分析，揭示各增强体及其相互作用对裂纹扩展的作用机制，以及热-机械参数对混杂强化钛基复合材料疲劳断裂耦合作用机理。

高温疲劳断裂性能是钛基复合材料在航空航天上应用必须考虑的关键性指标。本项目聚焦于钛基复合材料的高温疲劳研究，从材料设计与制备、高温疲劳裂纹扩展行为与组织演变机理进行了系统研究。采用原位自生技术制备不同增强体含量的(TiB+TiC)/Ti6Al4V复合材料，并相应开展了高温疲裂纹扩展测试。发现了钛基复合材料的高温疲劳裂纹扩展速率da/dN对基体组织的变化不敏感，而其随着ΔK和温度的升高而增加。钛基复合材料在高温和高ΔK下具有比钛合金更加优异的抗疲劳裂纹扩展的能力，(6vol. %TiB+2vol. %TiC)/Ti6Al4V在T=450℃，ΔK=20MPa·m1/2时裂纹扩展速率比合金低40%。研究了基体组织、ΔK和温度对钛基复合材料高温疲劳裂纹扩展行为的影响：发现等轴组织的疲劳裂纹扩展速率最低；随着ΔK增加，疲劳裂纹从侵入增强体沿直线扩展演变为在增强体界面与端部偏转；随着温度升高，疲劳断口从脆性断裂向韧性断裂特征转变，且二次裂纹逐渐减少。揭示了钛基复合材料高温疲劳裂纹扩展的晶体学特征、TiB和TiC的损伤行为以及对疲劳裂纹扩展的作用机制。TiB和TiC周围晶粒往往具有基面或柱面滑移的硬取向，柱面滑移和锥面滑移导致高温疲劳裂纹扩展。随着ΔK增加，当塑性区尺寸逐渐大于TiB/TiC尺寸时，TiB/TiC对疲劳裂纹的偏转作用增强，诱导粗糙致裂纹闭合效应，减缓了疲劳裂纹扩展速率。表征了钛基复合材料高温疲劳后的微观组织，揭示了高温疲劳裂纹尖端的组织演变机理，发现β相内析出不同纳米α变体和裂纹尖端塑性区内孪晶形核，有助于裂纹偏转，提高复合材料的高温疲劳性能。采用数值计算方法研究了TiB和TiC增强体对裂纹尖端应力场和塑性区尺寸的影响，发现增强体的引入使得裂纹尖端塑性区连续性下降。本项目为制备具有优异高温疲劳性能的钛基复合材料提供了设计思路。