轻质合金焊接接头超长寿命区间疲劳行为关键影响因素及其作用机理研究

Due to the extension of service life in aircrafts, most of the critical components in these structures usually fail by gigacycle (>1E7 cycles) fatigue.Previous investigations have reported that most of fatigue data has been interpreted in the form of S-N curves, data in the literature is invariably limited to fatigue lives up to 1E7 cycles. However, it is realized recently that this conventional fatigue limit dose not exist from amount of experiments which show that S-N curves descent step-wise or continuous and failure still occurs beyond 1E7 cycles, even at 1E9 cycles. Meanwhile, amount of the welded light alloys are widely applied in aeronautics. To investigate fatigue reliability of welded joints under gigacyclic loading, the present proposal is going to focus on the titanium alloys in aeroengine blades. Our work is planed to correlate these ultra-long life fatigue performances to the Hydrogen element, the second phase particles， inclusions and pore induced by welding fabrication. Correct understanding of these effects is indispensable for predicting a materials endurance, welding process and integrity designs in the gigacycle fatigue range.

不断提高的飞机飞行寿命指标，致使大部分重要航空结构和关键部件的疲劳问题越过1E7寿命区间，跨入到超长寿命阶段。前期研究表明在超长寿命区间，S-N曲线是一条连续下降的曲线，传统的疲劳极限并不存在，载荷循环周次超过1E7甚至1E9以后，试件依然发生疲劳断裂。 随着大量轻质合金焊接构件在航空结构制造业的应用，为了保证航空结构的疲劳可靠性，本项目拟采用飞机航空发动机叶片常用的钛合金材料，研究超长寿命条件下轻质金属材料焊接接头的疲劳行为特征，揭示氢元素/第二相粒子/夹杂物/气孔等因素影响轻质金属材料焊接接头在超长寿命区间疲劳性能的作用机制及其规律，在上述研究基础上分析将焊接工艺应用于飞机发动机钛合金整体叶盘和机身/机翼等轻质关键承力构件制造的技术适用性并探讨传统的疲劳设计规范在超长寿命条件下使用的安全可靠性。

轻质合金在航空航天领域应用广泛，关键部位的结构件多采用焊接连接技术，因此研究轻质合金不同焊接接头的超高周疲劳性能及影响因素具有重大的意义。本项目以钛合金TC4真空电子束焊接头，TC4/TC17异种合金线性摩擦焊接头和7050铝合金搅拌摩擦焊接头为研究对象，围绕S-N曲线、断口形貌、疲劳断裂位置等方面，研究了轻质合金焊接接头的超高周疲劳性能和影响因素。.主要研究内容和结论如下: TC4钛合金真空电子束接头S-N疲劳曲线都呈现下降型，在107循环周次不存在传统的疲劳极限。疲劳断裂大部分发生在母材区，少量发生在焊缝气孔和熔合线。熔合线和焊缝气孔是接头超高周疲劳性能的薄弱环节。.通过TC4/TC17钛合金异种材料线性摩擦焊接头的疲劳试验，发现失效往往发生在母材处.裂纹萌生方式为表面萌生和内部萌生，随着应力的降低，更倾向于内部萌生。项目研究了热影响区内塑性变形和表面粗糙度对接头疲劳性能的影响，结果表明热机影响区局部区域的疲劳性能恶化与焊接过程中高温塑性变形有关。光滑疲劳试件主要断裂在母材。.7050铝合金搅拌摩擦焊接头的S-N曲线均呈多阶型，焊接过程的冶金不均匀性导致接头试件的失效主要发生在两侧软化现象严重的热力影响区和热影响区；应力比对接头的疲劳强度影响明显，但不改变S-N曲线的形状。用于描述应力比影响的Goodman模型能很好的描述应力幅值和平均应力的配合，在一定范围内可以采用Goodman曲线去预测不同应力比下的疲劳强度。