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。     

组织类型对钛合金损伤容限性能的影响及电镜原位观察

采用扫描电镜(SEM)原位拉伸、原位疲劳方法研究TA15钛合金三种类型组织的裂纹尖端形状和疲劳裂纹扩展速率及扩展过程,并与宏观力学性能对比.结果表明,片状组织由于裂尖钝化、裂纹扩展路径曲折及分枝,损伤容限性能比等轴、双态组织好,即断裂韧性最高,疲劳裂纹扩展速率最低.     

基于ABAQUS/Franc3D的孔边疲劳裂纹扩展分析

为了研究孔边疲劳裂纹扩展规律,联合有限元建模软件ABAQUS和断裂力学分析软件Franc3D对不同角度初始孔边裂纹扩展过程进行仿真,得出应力强度因子的变化趋势,并对孔边裂纹在随机疲劳载荷作用下的疲劳裂纹扩展过程进行仿真,得出裂纹扩展长度-载荷循环次数(a-N)曲线。结果表明:在疲劳载荷作用下与水平方向夹角越小的初始裂纹扩展速率越大,结构剩余寿命越短。联合仿真方式为飞机损伤容限设计和评估结构剩余寿命提供一种分析方法。     

典型机身框地板梁缘条裂纹修理损伤容限分析

采用简单有效的方法对复杂的飞机结构进行损伤容限评定具有重要的意义,提出一种简单有效的应力强度因子获取方法,并结合损伤容限分析的一般流程,分析某机身框地板梁缘条含裂纹修补结构的疲劳寿命及使用寿命期内结构的剩余强度。根据机身框地板梁结构受载特点建立简化的分析模型,计算单位载荷时不同长度下裂纹尖端应力强度因子,再由结构边界载荷与应力强度因子的关系确定无量纲应力强度因子;根据损伤容限分析方法编制程序,计算结构在飞行载荷谱下从初始裂纹扩展到临界长度的寿命及各裂纹长度下结构的剩余强度,给出结构检查间隔。结果表明:结构修补后的疲劳寿命及剩余强度均满足损伤容限设计要求。本文给出的损伤容限分析过程及方法可应用于工程中类似结构的损伤容限评定。     

某型号机轮轮毂的疲劳全寿命分析

根据某型号轮毂的强度分析结果,对该型号轮毂进行疲劳损伤分析和损伤容限分析,得到其裂纹生成寿命和裂纹扩展寿命。运用Workbench对轮毂的所有载荷工况进行有限元强度分析和疲劳损伤分析,将运用损伤累积理论计算结果与仿真结果进行对比;对产生初始裂纹的轮毂进行损伤容限分析,得到其裂纹扩展寿命。结果表明,该型号机轮轮毂的疲劳危险部位为胎圈座,轮毂疲劳寿命满足设计要求,损伤的理论计算值和仿真结果偏差很小。     

先进飞机典型结构关键部位损伤容限分析研究

通过改进的裂纹扩展分析程序对飞机关键部位进行相应载荷谱下的损伤容限分析和评定,依据关键部位模拟试件的损伤容限试验结果,确切给出该关键部位的损伤扩展能力评估并预测扩展寿命和剩余强度。全尺寸疲劳试验根据损伤容限评定结论进行了检查,保证了试验的成功,取得了良好的效果。     

起落架结构损伤容限特性研究

扼要地介绍了对某型主起落架结构的损伤容限特性研究。用同~个起落架完成了从疲劳裂纹形成到裂纹扩展、以及剩余强度和结构总体破坏试验全过程。损伤容限设计用于该起落架结构,可以获得更安全可靠的保证。     

基于小裂纹理论的航空材料疲劳全寿命预测

综述了基于小裂纹理论的疲劳全寿命预测方法。该方法把断裂力学的ΔK分析与裂纹闭合概念结合起来,应用于自然萌生的小裂纹和长裂纹的扩展,并全部基于对起源于材料初始缺陷的裂纹扩展分析预测疲劳全寿命。这一方法已被作者成功地应用于多种航空材料,包括:4种高强度铝合金、2种高强钢和2种钛合金,载荷类型涉及恒幅、Mini-Twist和直升机旋翼谱等。结果表明,预测的疲劳全寿命与实验结果吻合良好,从而为把基于断裂力学裂纹扩展的损伤容限方法向传统的疲劳领域(S-N曲线,安全寿命)延伸开辟了可行的途径。     

多孔多裂纹平板的疲劳裂纹扩展试验与分析方法

飞机结构广布疲劳损伤是目前大型客机损伤容限设计与分析的难点。通过试验研究了典型多孔多裂纹2024-T3铝合金平板的裂纹扩展行为。试验结果表明：相邻孔边裂纹之间的相互干扰明显降低了共线多裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命。就本文研究的典型多孔板,所有孔边都出现了等长裂纹这一极端情况,其裂纹扩展寿命是单孔平板孔边裂纹扩展寿命的10%左右。本文采用Eshelby夹杂理论和权函数法给出了典型多孔多裂纹问题的应力强度因子近似解析解,并结合Paris裂纹扩展公式预测疲劳裂纹扩展寿命。与采用有限元法获得应力强度因子并预测多孔多裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命进行对比,对比结果表明：采用解析解和有限元解获得的应力强度因子预测的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果吻合良好;相比于有限元法,本文的应力强度因子解法简单、高效,将有助于飞机结构多位置损伤（MSD）的疲劳裂纹扩展寿命预测分析。     

多处损伤特性的研究

对老龄飞机结构中存在的多处损伤 ( MSD)进行了研究。从 MSD试件的裂纹扩展实验中得出 :MSD服从净截面屈服破坏准则 ;MSD使剩余强度明显降低,临界裂纹尺寸大大减小,裂纹扩展寿命显著缩短,从而使损伤容限能力减退,破损安全不复存在。试用组合法求解 MSD裂纹的应力强度因子,并将其用于 MSD裂纹的扩展分析,所得裂纹扩展寿命计算结果与实验符合良好     

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。      

大规格损伤容限钛合金TC4-DT的研制及应用

为了满足新一代战斗机对大规格损伤容限钛合金的需求，开展了TC4-DT钛合金大规格棒材与锻坯的成分与组织控制、大型锻件热处理过程中的显微组织控制、材料与锻件的制造过程控制、零件的疲劳强化等研究。经过大型铸锭熔炼、大规格棒材和锻坯试制、大厚度锻件试制、结构设计与制造，结果表明：损伤容限钛合金TC4-DT大型铸锭的成分均匀、大型锻坯和大厚度锻件的抗拉强度变异系数降至约2%，激光冲击、喷丸和冷挤压等对该合金的寿命增益效果显著。损伤容限钛合金TC4-DT在新一代战斗机上获得了广泛应用。     

合金材料高低周复合疲劳寿命研究

就外物损伤对钛合金材料（TC4和TC11）高低周复合疲劳寿命的影响进行了试验研究[D].分别采用摆锤法和空气炮法模拟了叶片外物损伤,对比分析了两类损伤缺口的特征.进行了无损伤试样、损伤试样的疲劳试验,对比分析了外物损伤对钛合金疲劳寿命的影响.结果表明:摆锤冲击试验法模拟的损伤缺乏代表性,空气炮发射弹丸法模拟的损伤更接近真实情况;外物损伤导致钛合金高低周复合疲劳寿命严重下降,空气炮发射弹丸法模拟的损伤使钛合金的疲劳寿命从105下降到104量级.      

工艺参数对钛合金激光T型接头焊缝成形及剪切力的影响

文摘采用连续激光焊工艺焊接TC4/TA15激光T型接头,运用体式显微镜及拉伸试验机对接头进行测试分析,研究工艺参数对激光T型接头焊缝成形及剪切性能的影响。结果表明:在其他参数保持不变的情况下,随着激光功率在一定范围内的提高,焊接速度在一定范围内的降低,骨架熔宽及骨架熔深增加;骨架熔宽是影响激光T型接头剪切性能的决定性参数,匹配激光功率超过4.1 kW、焊接速度低于80 mm/s、离焦量为-5~+10 mm,可使骨架熔宽超过0.51 mm,接头剪切力达到14 kN以上水平。     

激光熔覆制备TC4基复合药型罩材料的力学性能

为了提高TC4药型罩的侵彻性能,将激光熔覆制备工艺用于TC4复合药型罩材料的制备。选用TA15+30%(质量分数,下同)TiC粉、TA15+20%Cr_3C_2粉和TA15+15%B_4C粉作为TC4基体的熔覆材料。采用XRD、扫描电镜和显微硬度测试、准静态压缩实验、SHPB动态压缩实验以及3点弯曲实验方法,研究熔覆层与基体界面处微观形貌、熔覆层硬度变化情况以及3种复合材料的力学性能。结果表明:TC4基体与3种材料都能形成完全冶金结合,TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)和TC4-(TA15+B_4C)材料的强度均高于TC4基体材料,塑性略差;TC4-(TA15+TiC),TC4-(TA15+Cr_3C_2)材料的抗弯强度分别为168 MPa,101 MPa,均高于TC4基体材料的45 MPa。     

薄壁TC4钛合金电子束焊接应用研究

针对某薄壁TC4钛合金零件的电子束焊接,设计了焊接工装夹具,保证了焊接变形要求。通过工艺试验,确定了合理的焊接方案,成功的实现了该零件的电子束焊接。同时,针对其成功应用的研究过程,从焊接工艺及加工方案上总结出经验,为薄壁类钛合金零件的电子束焊接提供了借鉴依据。     

TC11合金燃烧特性初步研究

钛火严重威胁航空发动机用钛安全,开展钛合金燃烧特性研究是发动机合理用钛及采取有效防范措施的基础。通过液滴引燃试验法初步研究了TC11合金的燃烧特性,分析了燃烧的过程特征、试片温度与氧气含量(分压)对启燃的影响及燃烧表面的微观组织。结果表明:在压缩空气/氧气作用下,TA1液滴发生燃烧并将TC11合金试片引燃,燃烧过程中反应剧烈,喷射出大量火花;随着TC11合金试片温度的提高,引燃所需的临界氧气分压逐渐降低;TC11合金试片的烧损表面形成了氧化层,从表面到内部呈现出疏松区、致密区和燃烧影响区三种典型的组织区。     

飞机钛合金构件热损伤检测试验

为准确检测和修理飞机钛合金构件的热损伤,选用TA4、TC9进行热损伤模拟试验,对材料在不同温度下的力学性能、电导率与加热温度的关系进行了分析。结果表明,TA4、TC9的强度、硬度和电导率随温度的上升呈单调变化趋势;硬度和电导率均可作为钛合金热损伤的检测参数。