航空发动机用增材制造钛合金的高温疲劳和蠕变断裂行为及其失效机理

Titanium alloy that manufactured by selective laser melting and used in aeroengine was taken as the object in this project. Tensile fracture features of selective laser melted titanium alloy under different high temperature will be investigated; and the constitutive equation with pores and its anisotropy will be built. Effects of high temperatures on fatigue initiation, fatigue crack growing and fatigue failure will be studied; fatigue damage accumulation equation and creep damage equation will be developed and that the change of pores under high temperatures will be taken into account. Damage evolutions of different layers and between layers of selective laser melted titanium alloy will be discovered and studied. Damage and failure mechanism that was led by the layers and the nucleation and growing of pores will be explored and the fracture failure criterion will be studied in detail. The results will provide useful mechanical basis and technical methods to run fatigue creep analysis and damage tolerance integral design of selective laser melted titanium alloy used in aeroengines.

以航空发动机用激光增材制造钛合金为研究对象，研究不同温度下激光增材制造钛合金的拉伸断裂特征，建立虑及孔洞及其各向异性的本构数学表征；研究温度对增材制造钛合金的疲劳萌生特征、疲劳裂纹扩展和疲劳断裂失效的影响机制；构建虑及孔洞损伤演化的增材制造钛合金疲劳损伤累积和蠕变损伤模型；揭示疲劳和蠕变耦合作用下增材制造钛合金层状组织和层间的损伤演化特征；探索熔覆沉积层组织以及孔洞等缺陷的形核与增长所导致的损伤失效/破坏机制，并研究其断裂失效判据；初步探索激光增材制造钛合金的完整寿命分析框架。为我国开展航空发动机激光增材制造钛合金的疲劳蠕变强度分析及其损伤容限完整性设计提供力学基础和技术手段。

随着增材制造在航空发动机结构上快速应用，在高温下增材制造合金的损伤破坏及其力学响应亟需研究以保证安全。本项目以航空发动机用激光增材制造钛合金为研究对象，研究了不同温度下激光增材制造钛合金的拉伸断裂特征，建立了虑及孔洞及其各向异性的本构数学表征；研究了温度对增材制造钛合金的疲劳萌生特征、疲劳裂纹扩展和疲劳断裂失效的影响机制，发现打印方向对增材制造钛合金力学性能影响较大，不同打印方向在断口呈现出不同特征；构建了虑及孔洞损伤演化的增材制造钛合金疲劳损伤累积和蠕变损伤模型，发现增材制造TC4钛合金蠕变断口没有十分明显的颈缩，断面收缩率在10%左右，并且其断口形貌与打印方向密切相关；揭示了疲劳和蠕变耦合作用下增材制造钛合金层状组织和层间的损伤演化特征；探索了熔覆沉积层组织以及孔洞等缺陷的形核与增长所导致的损伤失效/破坏机制；初步建立了激光增材制造钛合金的完整寿命分析框架。为我国开展航空发动机激光增材制造钛合金的疲劳蠕变强度分析及其损伤容限完整性设计提供力学基础和技术手段。在国内外该领域顶级学术期刊（SCI，EI源刊）上发表期刊论文共17篇，其中SCI论文13篇，EI论文3篇。先后和新加坡、英国和德国等国家建立了合作关系，先后邀请10人次该领域专家来访；组织国内关于本研究专题的学术会议1次；国际会议6人次， 2021年国际断裂力学会议（ICF-Fracture）等进行交流；国内会议8人次全国力学大会、全国固体力学大会等会议进行交流；培养硕士和博士共10名。分会场邀请报告2次，主持2021年32nd ICAS国际会议分会场。申请专利一项；获得中国航空完整性委员会专家委员。