压气机叶片用TC17钛合金高温超高周疲劳行为与缺陷敏感性研究

Compressor blades, as the core components of aero-engine, subject to high frequency and ultra-long cycling load in service, and some of them also subject to high temperature. Therefore, it is of great scientific significance and engineering value to reveal the nature and regularity of very high cycle fatigue behavior of compressor blade materials under high temperature environment. In this project, the TC17 titanium alloy for aero-engine compressor blades will be used as the research object. Combining with the service environment of compressor blades, the very high cycle fatigue behavior and defect sensitivity of TC17 titanium alloy under high temperature environment will be studied. The objectives of this project are: (1) to reveal the nature and basic characteristics of very high cycle fatigue behavior of TC17 titanium alloy materials for aero-engine compressor blades under high temperature environment; (2) to clarify the effects of temperature and processing defects on very high cycle fatigue behavior of TC17 titanium alloy materials; (3) to develop a fatigue life or fatigue strength prediction model involving the effects of temperature and processing defects for TC17 titanium alloy. The implementation of this project will provide basic experimental data and theoretical support for fatigue life prediction and reliability evaluation of aero-engine compressor blades.

压气机叶片作为航空发动机的核心部件，其服役期间承受高频、超长周次循环载荷作用，部分压气机叶片还要承受高温环境。因此，揭示高温环境下压气机叶片材料的超高周疲劳行为本质与规律具有重要的科学意义与工程应用价值。本申请项目将以航空发动机压气机叶片用TC17钛合金为研究对象，结合压气机叶片的服役环境，深入开展TC17钛合金在高温环境下的超高周疲劳行为与缺陷敏感性研究工作。本申请项目的目标是：（1）揭示高温环境下航空发动机压气机叶片用TC17钛合金材料超高周疲劳行为的本质和基本特征；（2）阐明温度和加工缺陷对TC17钛合金材料超高周疲劳行为的影响规律；（3）建立反映温度和加工缺陷影响的TC17钛合金材料超高周疲劳寿命或强度预测模型。本申请项目的实施将为航空发动机压气机叶片的疲劳寿命预测和可靠性评估提供基础实验数据和理论支撑。

本项目针对指南中“航空发动机高温材料性能优化与长寿命使役稳定性”关键科学问题，进行了航空发动机压气机叶片用TC17钛合金高温高周和超高周疲劳行为与缺陷敏感性研究。主要研究内容包括：（1）不同温度环境下TC17钛合金材料超高周疲劳裂纹萌生机理、裂纹萌生和初始扩展区域的微结构特征以及对比研究；（2）加工缺陷对TC17钛合金材料超高周疲劳裂纹萌生机理和疲劳寿命或强度的影响；（3）温度和加工缺陷共同作用对TC17钛合金材料超高周疲劳裂纹萌生机理和疲劳寿命或强度的影响。本项目取得的重要成果如下：（1）发现TC17钛合金超高周疲劳过程中α晶粒内有形变孪晶现象，揭示了形变孪晶是裂纹萌生与初始扩展区域晶粒细化的重要因素；观测到疲劳裂纹形成于纳米晶粒区域内或纳米晶-粗晶晶界，并且在裂纹尖端以及超高周次疲劳载荷后也发现有细小晶粒形成现象；提出钛合金超高周疲劳裂纹萌生与初始扩展新机制。（2）TC17钛合金高温高周和超高周疲劳裂纹起源于试样表面或内部；对于疲劳裂纹起源于内部的试样，裂纹萌生和初始扩展区域也发现有α晶粒内出现纳米晶粒现象；进一步分析表明，表面裂纹萌生是由于富氧层开裂或氧化物脱落导致的；在实验结果基础上，提出400℃环境下TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型。（3）研究表明，缺陷对TC17钛合金疲劳行为的影响与缺陷尺寸√arⅇa密切相关，area为缺陷垂直于主应力方向的投影面积；存在一个临界缺陷尺寸，当缺陷小于临界缺陷尺寸时，缺陷对疲劳行为没有影响；大于临界缺陷尺寸时，疲劳裂纹从缺陷处萌生，并且缺陷对TC17钛合金高周和超高周疲劳强度的影响可以表示成σ_w=C(√arⅇa)^m，其中σ_w表示疲劳强度，C和m是参数，与材料、疲劳寿命和缺陷引入形式有关。本项目积累了大量不同温度下TC17钛合金和含缺陷TC17钛合金高周和超高周疲劳实验数据。研究成果对于深入理解金属材料特别是钛合金的超高周疲劳失效机理以及温度和缺陷对钛合金高周和超高周疲劳行为的影响具有重要意义。