热暴露钛铝合金在交变载荷下的损伤容限和控制机制

A TiAl alloy component in service is exposed to elevated temperature (say 700C) in air environment for long time (say 10000 hours). Three major types of microstructural changes can occur: a) internal changes due to microstructure decomposition and phase transformation, b) surface layer oxidation and c) surface damages caused by outside objects. A systematic investigation is designed in the project to characterize these changes for a wide spectrum of low, intermediate and high strength TiAl alloys with different chemical compositions. Alloys under three thermal exposure conditions are to be studied: a) no thermal exposure, b) thermal exposure with internal changes, c) thermal exposure with both internal changes and surface oxidation. Fatigue crack initiation behaviour will be assessed for all the three conditions using four-point bending S-N specimens with smooth surfaces and with varied manufacturing defects, cracks and stress concentration. The main objective of the research is to reveal how and to what extent the three types of microstructural changes affect the fatigue crack initiation resistance and to understand the governing mechanisms responsible for crack stabilizing, initiation and propagation. This comprehensive research will lead to determination of damage tolerance capability of these alloys in aforementioned three thermal conditions. Moreover, oxidation dynamics and oxidation layer structure of a wide spectrum of TiAl alloys will be studied and identified. Following all these research and understanding, the comprehensive research concerning damage tolerance behaviour is expected to provide a reference guide for safe applications of TiAl alloys at elevated temperatures.

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。

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。