轻质耐热TiAl合金的高温力学行为本构建模和寿命预测研究

Four types of high temperature experiments are carried out to obtain the mechanical behavior and life prediction for lightness and heating resistance TiAl alloy used in turbine blades of advanced aeroengines. The modified Chaboche viscoplasticity unified constitutive theory, new life prediction method based on the hysteresis strain energy and in-situ observation technology with SEM are used to study the high temperature deformation, finite element simulation, life modeling and failure mechanics, respectively. Meanwhile, implements of the finite element simulation, material parameters and in-situ observation technology are determined to verify their reliability and applicability. This study will explain the deformation, life and failure mechanics in detail and establish the constitutive model, life prediction method. The research results are important to explore the comprehensive mechanical behavior, high temperature strength, life prediction and failure mechanics and provide the science basis for the engineering application in turbine blades of advanced aeroengines in China.

针对先进航空发动机涡轮叶片新材料的高温力学和寿命问题，本项目以轻质耐热TiAl合金为研究对象，分别开展四类高温试验，采用修正的Chaboche粘塑性统一本构理论、一种新的基于迟滞应变能的寿命理论和带扫描电镜的原位观察测试技术，系统研究TiAl合金的高温变形行为、有限元数值模拟、寿命预测方法和失效机理，分析本构模型和寿命方法的可靠性和适用性，确定有限元计算的实现方法、材料参数的优化方法和原位观察的实施途径。项目预期将揭示TiAl合金的变形和寿命规律以及断裂失效机理，建立高温力学本构模型和寿命预测方法，实现对其损伤机理的分析。项目的研究成果对于研究TiAl合金的综合力学行为、高温强度、寿命预测和失效机理具有重要意义，可为轻质耐热TiAl合金在我国先进航空发动机涡轮叶片上的工程化应用提供科学依据。

本课题针对先进航空发动机涡轮叶片用轻质耐热TiAl合金的高温力学和寿命问题，分别开展了高温条件下的拉伸、低周（原位）疲劳、蠕变和疲劳-蠕变交互试验，获得了TiAl合金的高温试验数据。采用耦合蠕变损伤并考虑Ohno-Wang修正的Chaboche粘塑性统一本构模型，全面实现了对TiAl合金在750℃条件下的不同应变速率单轴拉伸、低周疲劳、持久蠕变和疲劳-蠕变交互作用等力学行为高精度的有限元数值模拟。在连续损伤力学框架下建立了一种连续损伤累积寿命预测模型，该模型考虑了材料的迟滞应变能损耗，并能够兼顾保载时间长短和保载类型（拉保载或/和压保载）的影响。此外，为了将低周疲劳、蠕变和疲劳-蠕变交互三者结合起来，建立统一的寿命表征和预测方法，本课题采用了基于有效保载时间的幂函数模型Ⅰ和基于归一化的最小应变速率的幂函数模型Ⅱ准确预测了TiAl合金的低周疲劳、蠕变和疲劳-蠕变交互寿命。整体上讲，新提出的三种寿命方法的预测精度高，满足实际工程设计需要。在TiAl合金高温原位疲劳的试验中，采用单边缺口板状试样并借助于扫描电镜原位观察技术实时跟踪和监测TiAl合金的表面形貌、组织变化以及裂纹的萌生方式和扩展路径，确定载荷循环数与裂纹长度增长的定量关系，保存和记录裂纹扩展的图片，用于研究TiAl合金在高温疲劳条件下的失效机理和损伤演化规律。课题的研究成果对于研究TiAl合金的综合力学行为、高温强度、寿命预测和失效机理具有重要意义，可为轻质耐热TiAl合金在我国先进航空发动机涡轮叶片上的工程应用提供科学依据。