航空发动机叶片TC4钛合金振动疲劳裂纹扩展研究及剩余寿命预测

目的研究TC4钛合金的振动疲劳特性及寿命预测。方法通过共振疲劳试验,分析裂纹尖端应力强度因子的变化规律,计算不同应力水平下疲劳裂纹扩展的速率,建立剩余寿命预测计算模型。结果裂纹尖端的应力强度因子是表征裂纹扩展速率快慢的有效参数,与裂纹长度及应力场的大小相关。在裂纹扩展初期应力为274 MPa的条件下,裂纹扩展速率的试验值与计算值吻合较好。通过寿命预测模型计算可知,当初始裂纹为0.5 mm,最终裂纹长度达到5 mm时,在应力为274、366、422 MPa的条件下,振动循环周期分别为36 577、19 090、13 865。结论在应力比为?1的振动条件下,裂纹扩展速率随应力水平的增大而加快,同时初始裂纹长度越长,应力相同时,裂纹扩展速率提高。通过寿命预测模型,可计算出结构件的使用寿命。     

TC4钛合金锻件疲劳寿命分析及其仿真模型修正

依据物理实验,研究了锻造变形温度和变形程度两个关键参量对TC4钛合金锻件疲劳寿命的影响,利用有限元与物理实验相结合的方法建立并修正了TC4钛合金锻件疲劳寿命仿真模型,并对仿真模型进行了验证。结果表明：相比于原材料,锻造成形的TC4钛合金锻件具有较长的疲劳寿命,并且变形温度控制在α+β相变温度时所得锻件的疲劳寿命最长;在最佳变形温度下,变形程度控制在50%左右时锻件的疲劳寿命最长,考虑锻造变形温度带的影响,应尽可能提高锻锤频次;锻件残余应力是影响仿真模型精度的主要因素,通过验证表明,引入实际锻件的最大等效残余应力可以极大地提高仿真精度,这为深入分析锻造工艺参量对TC4钛合金锻件疲劳寿命的影响奠定了基础。     

TC4钛合金薄板激光焊接接头的疲劳寿命及断口分析

研究了TC4钛合金薄板激光焊接接头及母材的疲劳性能,并对其疲劳断口进行了观察.结果表明,接头的疲劳寿命在低应力水平时高于母材,在高应力水平时低于母材.母材疲劳裂纹萌生于试样表面;在裂纹扩展区有平行排列的弯曲的二次裂纹和期间更细的疲劳辉纹,瞬断区为细小的等轴韧窝.焊缝疲劳裂纹起源于表面的气孔,源区有笔直且平行排列的二次裂纹;在裂纹扩展区,断口形貌与组织有关,细晶区为韧窝,在细晶与柱状晶交界处为敞口浅韧窝,柱状晶和粗晶区为晶粒大小的刻面,上有大量的微剪切滑移带,断裂机理为滑移带形成及开裂.     

TC4钛合金的微动疲劳行为研究

研究了TC4钛合金在柱面-平面接触条件下的微动疲劳行为.通过观察微动区的磨损特征和截面形貌,分析了微动疲劳损伤机制,探讨了磨屑的形成与演变过程及其对微动疲劳行为的影响,考察了摩擦系数随时间的变化.结果表明,TC4钛合金微动区的损伤机制以粘着磨损、磨粒磨损和接触疲劳为主,并伴有氧化磨损.磨屑是基体材料脱落、破碎、氧化形成的,磨屑中的硬质氧化物颗粒促进了合金表面的磨粒磨损,加速了疲劳失效.     

基于ABAQUS/FE-SAFE的TC4钛合金板材疲劳寿命仿真与实验

目的建立钛合金材料的疲劳寿命预测模型,并通过实验研究验证此模型在预测滚磨光整加工后钛合金材料疲劳寿命的可行性。方法采用有限元软件ABAQUS和疲劳分析软件FE-SAFE,通过有限元仿真和多元正交回归实验的方法,研究了粗糙度以及残余应力对TC4钛合金疲劳寿命的影响规律。结果拟合出疲劳寿命与粗糙度以及残余应力的关系方程式,进而通过实验验证了仿真结果以及公式的正确性。结论滚磨光整加工后,表面粗糙度R_z值由加工前的3.16变为1.69,残余应力由拉应力50 MPa变为压应力-228 MPa,疲劳寿命从加工前的28 083次提高到39 510次,提高了40.6%,实验结果与仿真结果相比,误差在5%左右,证明仿真结果的可行性,为滚磨光整加工钛合金提供了疲劳寿命预测模型。     

激光焊接功率对TC4钛合金微观组织和疲劳寿命的影响

使用光学显微镜和显微硬度计测试了不同功率条件下的焊缝组织和硬度;使用液压伺服疲劳试验机测试了不同功率下焊接接头的抗拉强度和疲劳寿命,分析了不同功率条件下疲劳寿命的概率分布与可靠性。结果表明:功率对焊接接头的抗拉强度和伸长率影响不大;焊缝熔合区为"网篮状"的α'针状马氏体,热影响区有少量的α'马氏体;焊缝熔合区的显微硬度高于热影响区,热影响区的显微硬度高于母材,且功率越高,硬度也越高。随着激光功率增大,同等载荷下焊接接头的疲劳寿命变长,可靠性变好。     

TC4钛合金焊接结构连续非线性疲劳损伤

文中从TC4焊接结构在船舶舰艇领域的使用特性出发,根据第四强度理论对现有的连续非线性损伤模型进行修正,提出更符合工程实际的非线性损伤模型,并根据疲劳试验数据测算出其模型参数.然后通过疲劳卸载试样SEM观察分析,验证所修正的损伤模型.再通过非线性损伤修正模型和线性损伤模型及试验数据的对比.结果表明,线性损伤模型在中小载荷下的寿命相对保守,而非线性损伤模型则更接近试验值,证明了修正模型的工程应用价值.     

TC4钛合金外物损伤后疲劳行为研究

针对发动机一级盘用材料冲击损伤后的高周疲劳性能需求,对TC4钛合金在外物损伤后的疲劳行为开展研究.采用空气炮法制备含3种不同程度外物损伤的TC4钛合金试样并统计损伤尺寸,对无冲击损伤和含外物损伤的试样进行疲劳试验,获得S-N曲线,观察疲劳裂纹萌生位置.结果表明:更快的冲击速度和更大的弹丸直径会形成更大的FOD损伤;外物...     

TC4ELI钛合金低周疲劳性能研究

研究了具有网篮组织的TC4ELI钛合金材料在不同应变幅值下的低周疲劳性能,给出了TC4ELI钛合金在低周疲劳下的循环应力-应变曲线,拟合出循环应变硬化指数、循环强度系数以及应变-寿命特征系数,并通过光学显微镜进行金相分析,通过扫描电镜进行断口形貌分析。结果表明,TC4ELI钛合金呈现出循环软化的特性;距离疲劳断口1.5 mm处的组织形态与断口处无明显变化,疲劳裂纹以穿晶方式扩展直至断裂;随着应变幅值增大,韧窝变大变深,韧性断裂特征变得更加显著。     

ZTC4钛合金不同应变比下应变疲劳寿命估算

对ZTC4钛合金进行应变比为-1、0.1和0.5的应变疲劳试验,并运用Zheng公式对实验数据进行分析,得到3个应变比下的应变疲劳寿命曲线。通过修正Zheng公式中的Δεt,得到受应变比R影响的当量应变范围Δεt*,从而得到含应变比R因子的归一化模型,用于预测不同应变比下ZTC4的应变疲劳寿命。     

超声挤压强化对TC6钛合金疲劳寿命的影响

运用X射线应力测试仪、硬度仪、金相显微镜、扫描电镜（SEM）对超声挤压TC6钛合金疲劳试样的残余应力、硬度及显微结构进行了测量分析,探讨超声挤压工艺对TC6钛合金疲劳性能的影响。结果表明：经超声挤压后,TC6钛合金疲劳性能并没有显著提升,与精加工试样对比发现,在750、850和950 MPa应力下的疲劳寿命分别下降了42.78%、20.06%和88.91%。经观察其内部存在放射状疲劳源,且疲劳源处存在相对大面积、多区域的暗色斑点,最终导致疲劳寿命降低。     

基体温度对TC11钛合金EB-PVD修复层组织及振动疲劳寿命的影响

为了研究温度对修复层性能的影响,采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术在TC11平板试样上制备了修复层,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究了不同温度下修复层的成分及组织形貌变化,并通过振动疲劳试验等方法研究了温度对修复层振动疲劳寿命的影响。结果表明:在600~800℃进行修复时,修复层为柱状晶组织。修复层的致密性随温度升高而变大,这种变化也会影响修复后试片的振动疲劳性能,修复层柱状晶结构间隙处形成的裂纹源会造成试片疲劳性能的下降。     

TC4钛合金搅拌摩擦焊接头的疲劳性能

用由内凹轴肩与锥形搅拌针组成的钨铼合金搅拌头,采用转速为150 r/min、焊速为30 mm/min的参数对2mm厚的TC4钛合金板进行搅拌摩擦焊,得到了内部无缺陷的接头。以此为基础进行了焊接接头的疲劳性能分析。试验结果表明,焊核区由细小的晶粒组成,而构成焊核的轴肩作用区的前进侧是焊接接头的危险区域。疲劳裂纹萌生于焊件表面的轴肩作用区附近,裂纹经轴肩作用区向下扩展到热影响区并瞬断于母材区域。     

连续变断面循环挤压TC4钛合金的变形模拟

采用Deform软件模拟TC4钛合金棒材以连续变断面循环挤压细化组织效果较好的一组参数:变形温度800℃,挤压速度2 mm/s,6道次循环变形时的应力场、应变场及温度场。结果表明,随着变形循环道次的增加,应变量随之增加,在圆柱坯料高度方向的中间区域等效应变分布较为均匀;对比同一变形循环的挤压工序与镦粗工序,挤压工序的等效应力稍大;此外,变形试样中心区域的温度较高且为大变形区,其原因是试样外表面与模具之间存在热交换而导致试样表面温度较低。但就整体而言,试样变形量分布还是相对均匀,这与其显微组织及显微硬度沿径向分布较均匀的试验结果一致。     

TC17钛合金电子束焊接接头的疲劳裂纹扩展规律及疲劳剩余寿命

首先通过试验取得母材及焊接接头的疲劳裂纹扩展速率,然后结合TC17钛合金电子束焊接接头CTOD试验结果及裂纹容限计算值,以估算其疲劳剩余寿命.结果表明:在低应力水平或低△K下,TC17电子束焊缝的da/dN数据与母材的基本相当;然而随着应力水平的增加,焊缝的da/dN值越来越大.在初始裂纹尺寸相同的情况下,TC17合金电子束焊缝与母材疲劳裂纹扩展寿命曲线存在交叉点.当应力幅大于交叉点应力幅时,TC17母材疲劳裂纹扩展到临界裂纹尺寸的剩余寿命要高于相应焊缝的剩余寿命;当应力幅小于交叉点应力幅时,TC17母材扩展到临界裂纹尺寸的剩余寿命要低于相应焊缝的剩余寿命.     

温热条件下TC4钛合金板材超声振动辅助拉伸工艺研究

针对钛合金板材塑性变形能力差、成形温度高的问题,提出了温热条件下超声振动辅助成形方法,希望在温热环境条件下进一步提高钛合金板材的成形性能。本文通过200-600℃条件下的TC4板材超声振动辅助拉伸实验,分析了超声振动工艺参数对钛合金板材拉伸过程当中的工程应力-应变曲线、屈服强度、延伸率等性能指标的影响规律,并对拉伸试件显微组织及断口形貌进行分析。研究结果表明,温热拉伸过程施加合适的超声振动工艺参数,可以使TC4板材流动应力、屈服强度进一步降低,延伸率进一步提高,能够实现在温热条件下进一步提高成形性能的目的。     

温热条件下超声振动对TC4钛合金板材各向异性的影响

针对TC4钛合金板材轧制过程中产生的各向异性问题,在温热条件下通过与轧制方向呈不同角度拉伸试件的有、无超声振动辅助的拉伸实验,分析了超声振动对TC4钛合金板材的屈服强度、断后伸长率及厚向异性系数的影响规律,得到了有助于提高TC4板材成形性能及有效抑制各向异性的超声振动工艺参数;通过对拉伸试件金相组织和断口形貌的分析,得到了超声振动对TC4钛合金板材微观组织和性能的影响。结果表明,TC4钛合金板材在温度400～600℃范围内拉伸时,施加频率为20 k Hz、振幅为10μm的超声振动可以提高材料变形能力,还可以有效抑制板材的各向异性,同时对材料微观组织也不会造成较大影响。