Nb元素对TiAl合金高温疲劳性能的影响

The third generation TiAl alloy with a high Nb content has a good prospect in the airplane and automobile industries. But there is no literature published about thier high temperature and high cycle fatigue properties. The element Nb is one of the important reasons that affect the fatigue properties of TiAl alloy. The addition of Nb element can change the stack fault energy (SFE) of TiAl alloy, accordingly, its fatigue property is changed. There exist contrary viewpoints about the effet of Nb element on the SFE of TiAl alloy. One point of view considers that the SFE of TiAl alloy is enhanced by the addition of Nb element, the other viewpoint is contrary. The current project will reaserch the high temperature fatigue properties of TiAl alloy with two kinds of Nb content. The high cycle fatigue properties of TiAl alloy at 400℃, 600℃ and 800℃ will be researched. The fatigue crack initiation mechanism will be studied by scanning electron microscope (SEM), and the transmission electron microscope (TEM) will be used to study the dislocation configuration and stack fault. The effect of Nb element on SFE of TiAl alloy will be analysed quantitatively. The project will clarify the effect of Nb element on the high temperature fatigue properties of TiAl alloy, and it is not only helpful for people to get a in-depth understanding of fatigue propeties of TiAl alloy but also has the practical application value in airplane and automobile industries.

高Nb含量的第三代TiAl合金在飞机和汽车工业具有良好的应用前景，但是关于其高温高周疲劳性能目前国际上鲜有报道。Nb元素是影响TiAl合金疲劳性能的主要原因之一。Nb通过改变层错能而影响TiAl合金的疲劳性能。关于Nb对TiAl合金层错能的影响存在矛盾的认识，一种观点认为Nb的加入提高了TiAl合金的层错能，另一种观点与之相反。本项目拟采用两种Nb含量的片层结构TiAl合金为研究对象，在400℃、600℃和800℃三个温度下进行高温高周疲劳试验，得到合金的高温疲劳强度。利用SEM对疲劳断口进行细致观察，确定TiAl合金高温疲劳裂纹的萌生机制。利用TEM对位错组态和层错进行研究，定量分析Nb元素对TiAl合金层错能的影响。本项目的研究将揭示Nb对TiAl合金高温疲劳性能的影响机制。这不仅对深入理解TiAl合金的疲劳性能有重要意义，而且在飞机和汽车工业领域也有重要的应用价值。

TiAl合金由于具有低密度、良好的高温强度和抗蠕变、抗氧化能力而受到汽车生产商的广泛关注。用轻质TiAl合金作为汽车发动机的阀门材料替代传统的高温合金将极大程度地提高发动机效率、降低噪音、减少燃料消耗和尾气排放。但是TiAl阀门的生产成本较高，严重地阻碍了其发展。另外，苛刻的服役环境决定了阀门必须具备抵抗疲劳的能力。“CaO坩埚真空感应单步离心铸造技术”不但有效降低了TiAl阀门的生产成本，而且提高了铸造过程的填充率，保证了阀门的质量。. 本文通过自行设计制造的高温疲劳试验装置对该项技术制备的TiAl合金的疲劳性能进行了研究。结果表明，Nb元素可以提高TiAl合金的高温疲劳强度；温度对TiAl合金的疲劳强度有明显影响，合金在400ºC的疲劳强度最低，600ºC的疲劳强度略高于室温的疲劳强度，750ºC的疲劳强度最高但是表现出极大的分散性。. 阀门在加工和服役过程中可能会形成不同程度的表面损伤或者内部缺陷，这些缺陷的存在意味着疲劳裂纹的萌生阶段已经不存在了（缺陷处就是裂纹萌生源）。 因此，当存在缺陷时，疲劳裂纹扩展寿命占据了全部疲劳寿命的大部分。本文组建了一套长焦距显微镜图像存储系统，通过对TiAl合金室温疲劳裂纹扩展的原位观测得到疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度范围ΔK之间的关系。同时结合“声发射技术”研究TiAl合金的疲劳裂纹扩展行为。结果表明，TiAl合金的室温疲劳扩展速率较高，Paris指数达到7.4；另外研究发现TiAl合金的疲劳裂纹扩展速率da/dN与声发射振铃计数率dC/DN之间存在线性关系。