高温下钛合金微动疲劳行为及表面处理技术影响的研究

摘要

耐磨性能差是直接影响钛合金在航空发动机中安全使用的主要因素之一,由此可能引发压气机钛合金叶片榫头在工作过程中发生微动疲劳(FF)损伤而早期断裂.提高钛合金FF抗力是航空工业等部门关注的问题,但因FF过程的复杂性,FF机理尚不够清楚,FF研究中存在一定的盲目性,研究方法各异.该文针对上述问题,从影响高温下钛合金FF行为的关键环节入手,设计科学合理的高温FF试验方法.深入系统地研究FF影响因素对钛合金FF行为作用规律,探讨FF机理.结合对表面处理工艺技术及表层性能评价,研究喷丸强化三因素和表面膜层对钛合金FF抗力的影响.主要工作和取得的研究结论如下:(1)研究了位移幅度、接触压力、温度等几个主要因素对钛合金FF行为的影响.研究发现FF寿命位移幅度或接触压力增大呈现非单调变化规律,原因是位移幅度或接触压力变化影响疲劳和磨损在FF过程中所占比重,进而影响FF裂纹萌生几率和扩展驱动力,由此导致位移幅度或接触压力增大呈现非单调变化.温度升高加剧了环境的氧化和腐蚀作用,出现高温塑性变形机制(如蠕变),并引起钛合金的变形抗力的下降,造成材料本身的疲劳性能恶化.(2)喷丸强化是提高钛合金常温条件下FF抗力最为有效的方法,SP引入表面残余压应力,并使表面加工硬化和表面粗糙化.但对这三个因素在高温FF过程中所起的作用目前尚不明确.该文用分离三因素的方法研究了SP对高温下钛合金FF行为的影响.结果表明SP引入的表层残余压应力增加裂纹闭合力,是SP提高高温下钛合金FF抗力最为重要的因素;SP表面加工硬化作用在改善高温下钛合金的FF性能中为次要因素;SP造成的粗糙度增大在高温下对钛合金的FF性能的作用因表面存在机械损伤而呈现出不利的影响,这种影响同时与残余压应力的存在状态有关.(3)研究了一种可望与SP联合作用能够提高钛合金FF抗力的新型表面处理技术离子束增强沉积CrMo、0Cr18Ni9合金膜,探讨了该类膜层对高温下钛合金FF抗力的影响.利用X射线衍射技术、扫描电镜及光谱分析等手段,评价了IBED膜层的基本性能.结果表明,通过离子束增强沉积(IBED)技术,所获膜层致密度高,晶粒细化,空隙率低,膜基结合强度好.但CrMo合金膜层硬度高,韧性差,膜层脆性大,在以疲劳为主的FF过程中易发生破裂,形成裂纹快速进入基体,致使高温下钛合金FF抗力降低,与喷丸强化复合并未达到协同提高钛合金FF抗力的目标.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1钛合金在航空工业中的应用

1.2微动损伤及其危害

1.3微动疲劳损伤机理研究进展

1.4微动疲劳影响因素

1.5高温下钛合金微动疲劳特点及国内外研究现状

1.6表面涂层和改性技术提高钛合金微动疲劳抗力的研究进展

1.7本文的研究背景及主要工作

参考文献

第二章实验方法

2.1高温下钛合金微动疲劳试验方法

2.1.1材料和试样

2.1.2设备和装置

2.1.3相关参数的测定方法

2.1.4实验步骤

2.2表面处理技术

2.2.1喷丸形变强化处理

2.2.2离子束增强沉积(IBED)

2.3表面处理层性能测试与评价方法

2.3.1组织结构与成分分布分析

2.3.2表面改性层的结合强度测定

2.3.3改性层的硬度和韧性测试方法

2.3.4改性层残余应力的测定

2.3.5改性层摩擦磨损性能的评定

参考文献

第三章高温下钛合金微动疲劳损伤行为的研究

3.1高温下Ti811合金的微动疲劳特征

3.2高温下钛合金微动疲劳影响因素研究

3.2.1位移幅度对Ti811合金微动疲劳寿命的影响

3.2.2接触压力对Ti811合金微动疲劳寿命的影响

3.2.3温度对Ti811合金微动疲劳寿命的影响

参考文献

第四章表面涂层与喷丸强化对钛合金微动疲劳抗力的影响

4.1喷丸强化对Ti811合金微动疲劳抗力的作用

4.1.1喷丸强化对Ti811合金微动疲劳行为的影响

4.1.2高温条件下喷丸三因素的分离

4.1.3喷丸强化三因素对微动疲劳行为的影响

4.1.4残余压应力对微动疲劳的作用

4.1.5表面粗糙度对微动疲劳的作用

4.2离子束增强沉积膜层基本性能测试结果与分析

4.2.1组织结构

4.2.2改性层的结合强度

4.2.3改性层的硬度和韧性

4.2.4改性层的摩擦磨损性能

4.3离子束增强沉积膜层对微动疲劳的作用

4.4离子束增强沉积膜层与喷丸强化对微动疲劳的联合作用

参考文献

结论

致谢

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