电脉冲处理对钛基复合材料增强体/基体界面特性和疲劳性能的影响机制研究

The long-life service for titanium matrix composites (TMCs) is required in the field of aerospace. In order to improve the fatigue properties of TMCs, the particle-reinforced TMC is taken as the representative research target, and the influence mechanism of electro-pulsing treatment (EPT) on the reinforcement/matrix interface properties and fatigue performance of TMCs are investigated. The intersection theory and methods of materials science, material processing and physics are comprehensively utilized to analyze these results. The in-situ characterization and analysis are used to evaluate the evolution of reinforcement/matrix interface defects of TMC treated under different EPT parameters, and the mechanism of pulse current on the evolution of interface defects is revealed. Both the residual stress distribution on matrix and reinforcements are investigated to explore the influence of EPT on the uniformity of residual stress distribution, and the optimal EPT parameters for simultaneously optimizing the interface defects and residual stress distribution are determined. The fatigue strength limit, fatigue life and the fatigue section morphology of TMC are tested and analyzed before and after treatment under the optimal EPT parameters, combining with the influence of the interface defects evolution and residual stress distribution on the fatigue performance, the effect mechanism of EPT on the fatigue performance of TMCs is illuminated. The research results of this project are expected to provide a new method for improving the fatigue performance of TMCs, develop the fatigue modification theory of TMCs, and establish the theoretical and experimental basis for the long-life service of TMCs on aerospace.

项目以航空航天用钛基复合材料长寿命服役需求为背景，以改善其疲劳性能为目标，选取颗粒增强钛基复合材料为研究对象，综合运用材料学、材料加工学和物理学等多学科交叉理论和方法，开展电脉冲处理对其增强体/基体界面特性和疲劳性能的影响机制研究。通过原位表征分析不同电脉冲参数下增强体/基体界面缺陷结构演变规律，阐明脉冲电流对界面缺陷结构演变的作用机理；通过分析电脉冲作用下基体和增强体残余应力分布变化规律，揭示电脉冲处理对残余应力分布均匀性的影响，确定优化界面缺陷结构和残余应力分布的最佳电脉冲参数；对比研究最佳电脉冲参数处理前后钛基复合材料的疲劳极限、疲劳寿命和断面形貌变化，分析界面缺陷结构演变和残余应力分布变化对疲劳性能的影响，阐明电脉冲处理对钛基复合材料疲劳性能的影响机制。研究结果可提供改善钛基复合材料疲劳性能新方法，发展钛基复合材料疲劳改性理论，为航空航天用钛基复合材料长寿命服役奠定理论和实验基础。

钛基复合材料作为一种重要的战略性结构材料，在航空航天、空间技术和武器装备等高新技术领域具有重要应用，由于增强体的分布形态以及增强体与基体界面的潜在缺陷，导致钛基复合材料的疲劳寿命离散度大，影响其在航空航天关键部件上的长寿命服役，因此如何消除界面缺陷并提高界面稳定性是改善其疲劳性能所面临的瓶颈。本项目针对航空航天用钛基复合材料疲劳性能优化关键问题，综合运用材料学、材料加工和物理学等多学科交叉理论和方法，引入电脉冲处理新技术来改善其微观组织与疲劳性能。项目通过分析电脉冲处理前后钛基复合材料增强体/基体界面微结构变化，揭示了电脉冲处理对钛基复合材料微观组织的影响机理；测试分析了电脉冲处理前后钛基复合材料的硬度、压缩性能以及断口形貌，揭示了电脉冲作用下钛基复合材料微观结构变化对力学性能的影响机制。项目研究了电脉冲作用下钛基复合材料物性参数变化研究，利用电脉冲处理细化TiB 增强体，揭示了高能脉冲电流作用下增强体与基体之间的变形协调关系；研究了增强体/基体界面处微纳结构的演变规律，分析了电脉冲与外部载荷共同作用下基体组织结构变化，揭示了基体变形与界面完整性、TiB 断裂、TiB分散之间的协调关系，阐明了增强体与基体界面缺陷在电脉冲与外载荷共同作用下的修复机理。项目研究了不同应力加载下钛基复合材料的疲劳寿命变化，得到了疲劳寿命S-N曲线，表征分析了疲劳断面形貌和疲劳断裂模式，揭示了不同应力对钛基复合材料疲劳寿命的影响机制；利用电脉冲处理对疲劳缺陷进行修复处理，通过X射线CT技术表征分析电脉冲处理前后疲劳缺陷含量变化。结合电脉冲效应的热与非热效应以及两者的耦合效应，阐明电脉冲处理对疲劳缺陷的修复机制。项目研究成果为钛基复合材料疲劳性能改善提供新方法，为航空航天用钛基复合材料长寿命服役奠定理论和实验基础。