TC17钛合金高温超高周疲劳实验

自主研发了高温超声疲劳(20kHz)实验系统,并完成了TC17钛合金在室温、200℃和350℃条件下的疲劳性能实验研究.结果表明:TC17钛合金的动态弹性模量随温度升高呈线性减小.S-N曲线在室温下呈直线下降趋势,但在200℃和350℃条件下,S-N曲线在疲劳寿命为107周次处出现明显的拐点.断口分析表明疲劳裂纹萌生于试件表面或次表面,没有发现裂纹萌生于内部的情形,TC17钛合金的裂纹萌生可不依赖于试件内部的夹杂物或缺陷.高温不仅促进了裂纹的萌生还促进了裂纹的扩展.     

TC4钛合金两种显微组织的紧固孔原始疲劳质量研究

利用标识载荷试验技术,将具有两种不同显微组织TC4钛合金分别在三种应力水平下进行疲劳试验,在光学显微镜下对疲劳裂纹扩展断口进行观察,获得裂纹扩展过程中不同循环周次下的裂纹长度,以此建立了表征TC4钛合金原始疲劳质量的通用EIFS分布。研究结果显示钛合金双态组织比片层组织具有更好的原始疲劳质量,双态组织具有较高的疲劳裂纹萌生寿命及裂纹扩展系数。此外还分析了双态组织中添加标识载荷的疲劳断口形貌,认为其疲劳断口标识线的形成是由于加入标识载荷后,应力强度因子范围发生变化,导致疲劳裂纹扩展过程中断裂模式发生改变,从而在断口上形成了可判读的标识线。     

4种典型航空钛合金材料高温裂纹扩展性能对比试验

试验测定了4种典型航空钛合金材料（即TC18、TC21、TC4 DT、Ti 6Al 4V/ELI）在两种温度（25℃和250℃）下裂纹扩展性能,在试验数据的基础上,进行裂纹扩展性能对比分析,并对试样断口进行扫描电镜(SEM)分析,研究了高温和载荷联合作用对裂纹扩展的影响机理,结果表明:不同温度下，不同钛合金材料裂纹扩展速率之间存在很大的差异性；与室温断口相比,高温断口表面呈现浅黄色,并伴有大量二次裂纹；钛合金的裂纹扩展性能是受温度和载荷的联合作用影响,裂纹闭合和氧化作用共同决定了其扩展历程。      

TC21钛合金的微观组织对力学性能的影响

研究了两相钛合金TC21关于两种不同微观组织(片状组织和网篮组织)的拉伸性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展性能.结果显示:片状组织相比网篮组织有相近的拉伸强度,但塑性较差;两者的韧性相差不大,但增韧机理不同;网篮组织在中低速扩展区的扩展速率和片状组织几乎相同,但在较高速扩展区显示略低的扩展速率;加载方向对两种组织的疲劳裂纹扩展速率基本无影响;和其他钛合金类似,TC21在Paris区存在转折.     

TC17 合金焊接接头显微组织与疲劳裂纹扩展特性

研究了TC17钛合金惯性摩擦焊焊接接头的疲劳裂纹扩展规律,并利用光学显微镜、扫描电镜对材料的显微组织和断口形貌进行分析。结果表明:TC17钛合金母材为α+β网篮状组织,晶粒较大;焊缝区和热影响区内可以看到明显的原β相晶界,焊缝区的原β晶粒较细小,热影响区的原β晶粒较粗大,晶粒内部存在细小的α相。在室温下,当ΔK≤15 MPa.m1/2时,焊缝区疲劳裂纹扩展速率较小,而当ΔK≥15 MPa.m1/2时,焊缝区的扩展速率最大,其次是热影响区,母材的裂纹扩展速率最小;在高温下,焊接接头各部位的裂纹扩展速率相差不大,均小于室温。     

TC4/TC17钛合金线性摩擦焊接头性能分析

针对航空发动机整体叶盘典型的TC4和TC17异种钛合金材料,开展其线性摩擦焊工艺试验以及接头拉伸、高周疲劳力学性能的测试和分析.结果表明:TC4/TC17钛合金线性摩擦焊接头焊后经630℃,保温3h的时效热处理后,其拉伸和疲劳性能较好.接头的室温拉伸和高温拉伸强度均介于TC4母材和TC17母材之间,略高于TC4母材的性能;高周疲劳性能达到TC4母材高周疲劳强度的95%以上.     

TC17钛合金超高周弯曲振动疲劳试验

基于航空发动机叶片基本失效形式,开发了悬臂梁式弯曲振动超声疲劳试验系统(激振频率20kHz),设计了能模拟叶片振动、适合于超高周弯曲振动疲劳试验的试件.利用该系统开展了钛合金TC17超高周弯曲振动疲劳试验研究,分析了断口的金相图.结果发现:裂纹萌生有表面和次表面两种模式,并不依赖于内部夹杂和缺陷,没有发现内部裂纹萌生迹象,次表面裂纹扩展也不呈“鱼眼”形貌.与文献所述的“鱼眼”形貌特征不同.      

考虑裂纹形状变化的TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展寿命预测

对TC4板材试件进行振动疲劳裂纹扩展试验,测得裂纹扩展寿命与裂纹长度之间的关系.使用超景深显微镜对裂纹形状进行观测和分析,拟合裂纹形状参数.将拟合表达式应用于应力强度因子幅值的计算中,并对裂纹扩展寿命进行预测.结果显示:裂纹形状参数对预测结果影响较大.当该参数取定值时,预测结果与试验结果误差较大.而所拟合的拟合表达式可以简单、准确地预测裂纹扩展寿命.      

钛合金超高周疲劳性能试验研究

采用ANSYS软件进行模态分析和谐响应分析,确定钛合金(TC17)试样尺寸和试验加载频率。利用弯曲疲劳试验系统进行试样在室温20kHz条件下的超高周疲劳试验。通过分析试验数据,计算得到p-S-N曲线,发现在大于107循环时,试样不存在传统意义上的疲劳极限。运用Paris模型从理论上计算得到钛合金(TC17)试样裂纹扩展寿命,发现其不超过中值疲劳寿命的2.1%。     

氢对TC4钛合金电子束焊接头疲劳裂纹扩展速率的影响

采用充氢CT试样对TC4钛合金电子束焊接头的室温疲劳裂纹扩展速率进行了测定,并对试样断口和接头各区显微组织进行了观察.试验结果表明:充氢母材试样在低速扩展区和失稳扩展区的da/dN相对于未充氢试样有明显的提高,但不同氢含量之间差别不大,在稳态扩展区(Paris区),氢对da/dN的影响很小.充氢焊缝试样在整个裂纹扩展过...     

不同片层组织对TC4-DT钛合金裂纹扩展行为的影响

采用三种β热处理制度对TC4-DT钛合金板材进行热处理,调整合金的显微组织和损伤容限性能.利用金相显微镜对不同热处理制度下合金的片层组织特征参数进行观察,分析了不同片层组织对合金疲劳裂纹扩展速率的影响.结果表明,粗片层组织的疲劳裂纹扩展速率在近门槛区对组织比较敏感;在Paris区,细片层组织具有较低的疲劳裂纹扩展速率,随着片层厚度的增加,裂纹扩展速率加快;合金在β区短时保温具有更好的综合性能.     

非对称载荷下TC17合金超高周疲劳试验

通过试验研究了110Hz和20kHz两种频率正弦式非对称载荷作用下TC17合金材料的疲劳失效行为,结果表明:载荷频率对TC17合金的疲劳强度和疲劳失效机理影响不明显,两种频率载荷作用下TC17合金的疲劳失效均存在表面诱发疲劳失效和内部诱发疲劳失效。表面诱发的疲劳失效主要是由循环载荷作用下试样机械加工缺陷和表面滑移所导致的,内部诱发的疲劳失效主要是由于材料初生α相在非对称循环载荷作用下发生解理断裂而导致的,失效形式的不同使得材料的应力-疲劳寿命（S-N）曲线呈双线性。萌生于TC17合金试样内部的疲劳裂纹可分为3个阶段:初生α相的解理断裂阶段、短裂纹扩展阶段和长裂纹扩展阶段。由裂纹萌生区特征可以确定室温条件下,应力比为0.1时,TC17合金疲劳长裂纹扩展门槛值为3.3MPa·m1/2。      

TC11钛合金焊接接头低周疲劳分形损伤演化研究

基于损伤力学和分形理论,在金属材料疲劳断口的形貌特征具有统计自相似性的基础上建立了表征焊接接头断口损伤的面分形损伤演化模型.利用TC11合金低周疲劳试验后所得到的断口测得其面分维数,结合试验数据拟合获得该材料损伤演化方程参数;从而建立了TC11合金焊接接头三级载荷下的疲劳损伤演化方程;同时将该模型与基于断口表面裂纹扩展的线分形损伤演化模型加以比较.      

不同组织类型TC6钛合金的振动疲劳特征

本文研究了TC_6钛合金片状、网篮、等轴和双态组织的振动疲劳性能。双态组织在室温及400℃下均具有优越的振动疲劳性能,其他三种组织的振动疲劳寿命大致相同。在片状、网篮及等轴组织的试样中,在α相内弥散析出了脆性相Ti_3Al,该相导致了疲劳性能的下降。研究结果还表明,四种组织试样的滑移均具有平面滑移特征。片状组织中疲劳裂纹沿滑移线形成并横穿晶界α相及α/β界面扩展,其他三种组织中疲劳裂纹既沿滑移线形核并扩展,也沿晶界形核并扩展。     

TC18钛合金疲劳断裂过程声发射信号特征分析

声发射技术通过实时监测结构服役过程中发出的声发射信号,判断结构是否出现损伤,是一种重要的在线监测损伤的技术。为了明确TC18钛合金在疲劳试验中产生微裂纹、裂纹扩展及断裂等过程中声发射信号的特性,设计TC18钛合金试验件,进行其疲劳试验并全程采集声发射信号;采用参数分析方法,得到声发射信号在时域、频域方面的参数特征。结果表明:在裂纹萌生及扩展阶段,声发射信号幅值为40~65dB,低于相同条件下铝合金的信号幅值;在200~280kHz频段上,裂纹萌生阶段与后续过程的能量分布存在较大差异。结合上述研究结果,给出TC18钛合金试验件声发射监测的参考原则。     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

模拟打伤/抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响

研究了无缺口、打伤缺口和3种抛修缺口对TC17钛合金叶片振动疲劳性能的影响。结果表明,无缺口模拟叶片的疲劳寿命最长且寿命分散性最小,打伤缺口模拟叶片的疲劳寿命最短且寿命分散性最大,3种抛修缺口模拟叶片的疲劳寿命介于前两者之间,其中抛修缺口Ⅰ模拟叶片的疲劳寿命最长。无缺口和抛修缺口模拟叶片的疲劳裂纹均起源于叶片根部,打伤缺口模拟叶片的裂纹产生于缺口底部,与有限元模拟计算的最大应力位置吻合。模拟叶片的疲劳断裂区比较平坦,呈半椭圆形貌,疲劳源区主要位于模拟叶片表面的微小损伤处,疲劳扩展区具有典型的疲劳弧线特征,并呈现沿α/β片状组织界面开裂的特征。     

钛合金结构损伤容限设计可行性研究

对飞机结构常用金属材料损伤容限特性进行了对比分析,针对TC4和TA15损伤容限特性较差的缺点,研制出两种超低间隙（ELI）钛合金TC4ELI和TA15ELI,并对其进行结构损伤容限设计可行性论证。进行了两种超低间隙钛合金和普通钛合金裂纹扩展寿命、剩余强度和疲劳全寿命对比实验。实验结果表明：具有片层组织的超低间隙钛合金相对于普通成分钛合金断裂韧性和裂纹扩展特性有明显改善,剩余强度和疲劳全寿命相当;应力水平相当时,超低间隙钛合金工程可检裂纹扩展寿命比航空结构中常用铝合金稍长。因此,对于超低间隙钛合金TC4ELI和TA15ELI可以进行损伤容限设计。     

GH4169合金疲劳裂纹扩展性能的试验研究

本研究中对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能进行了试验研究。主要进行了400℃～600℃范围内的疲劳裂纹扩展试验．其中对GH4169环形锻件进行了室温下的疲劳裂纹扩展试验。结果表明，在400℃-600℃范围内，温度对GH4169高温合金疲劳裂纹扩展性能的影响很小，随温度上升，裂纹扩展速率稍有加快；优质成分对GH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能几乎没有影响，在相同温度下，YZGH4169与GH4169的疲劳裂纹扩展速率几乎一样；材料品种对YSGH4169高温合金的疲劳裂纹扩展性能有一定影响，YSGH4169锻件比棒材的疲劳裂纹扩展性能要好一些。     

2024-T42铝合金疲劳裂纹扩展曲线的拟合方法研究

 提出了一种疲劳裂纹扩展曲线( a-N 曲线) 的新拟合方法,并采用这种新的拟合方法对2024-T42 铝合金CCT 试样的疲劳裂纹扩展数据进行了拟合分析。通过疲劳裂纹扩展寿命计算结果和试验结果的对比分析,证明这种新的裂纹扩展曲线拟合方法具有较高拟合精度。经过实验和计算分析,还给出了2024-T42 铝合金的疲劳裂纹扩展速率材料常数c 和n 值。