在疲劳载荷下具有全片层组织的高、低强度γ-TiAl合金的表面缺陷的损伤容限研究

摘要

本文对三种全片层组织的γ-TiAl合金:Ti-44Al-8Nb-1B，Ti-44Al-4Nb-4Hf-0.2Si-1B和Ti-45.6Al-2.25Nb-1Cr-0.7Mn-0.15C-0.1Si(at.％，分别简称合金8Nb，合金4Nb-4Hf，合金4)，进行了700℃，10000小时的大气热暴露，通过扫描电镜的手段研究了三种合金在长期热暴露前、后的显微组织变化特征。并在合金表面引入不同深度的表面缺口，通过阶梯升应力法测试了相应的疲劳强度，研究了三种合金在热暴露前、后对表面缺口的容忍限度。实验结果以Kitagawa-Takahashi线图的形式进行总结和分析。
　　研究发现，在700℃大气环境中经历10000小时的热暴露后，三种TiAl合金的全层片组织出现了程度不等的组织变化:细晶合金8Nb出现了较多的α2平行分解和生成了较多的β(B2+ω)相，而细晶合金4Nb-4Hf的α2层片上出现了大量白色针状的β(B2+ω)相和硅化点状物;高铝的粗晶合金4晶团内α2含量较低，α2在晶团内更容易处于平衡分布状态，热暴露导致的α2分解较少。
　　研究表明，三种合金热暴露前、后均存在一个临界尺寸ac(在热暴露前、后，合金8Nb分别为106μm、140μm;合金4Nb-4Hf分别为100μm、400μm;合金4分别为300μm、200μm），当缺口尺寸大于此临界值时，样品将按照线弹性断裂力学的长裂纹门槛值所预测的疲劳极限值断裂失效;而缺口尺寸小于此临界值时，样品既会低于光滑样品的疲劳强度水准，同时也会按照低于此长裂纹门槛值所预测的疲劳极限值断裂失效。这称之为TiAl合金的短缺口效应。鉴于短缺口效应的存在，重新确定了合金长裂纹的有效疲劳缺口扩展门槛值ΔKeff.th和有效缺口过渡尺寸a0.eff。
　　在长期大气热暴露后，细晶团高强度的合金8Nb和4Nb-4Hf的短缺口效应明显增大。这归因于两种细晶合金有较高程度的组织脆化，其组织脆化带来的有害效应高于在热浴长期浸泡带来的回火稳定效应。相反，粗晶低强度的合金4在长期热暴露后其短缺口效应却明显降低，这是因为高铝的粗晶合金中亚稳定相α2层片含量较两个低铝细晶合金少，偏聚分布也较少，热暴露导致的“释氧脆化”和“相变脆化”程度较低，相应的“回火”稳态效应因此得以凸显，从而显示出热暴露无害反而有益的结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 TiAl合金的相

1．2．1 TiAl合金相图

1．2．2 TiAl合金的相

1．2．3 TiAl合金的凝固和相变

1．3 TiAl合金的显微组织

1．4 TiAl合金的力学性能

1．4．1 拉伸性能

1．4．2 疲劳性能

1．5 合金元素对TiAl合金性能的影响

1．5．1 Nb对TiAl基合金的影响

1．5．2 Hf对TiAl基合金的影响

1．5．3 W对TiAl基合金的影响

1．5．4 B对TiAl基合金的影响

1．6 TiAl合金热稳定性研究

1．7 本课题研究的目的、意义和内容

1．7．1 本课题研究的目的、意义

1．7．2 本课题研究的内容

第二章 试验方案与方法

2．1 试验材料

2．2 试样分组及热暴露处理

2．3 表面缺陷加工及疲劳试验

2．4 疲劳长裂纹扩展速率(FCPR)实验

2．5 材料显微组织及形貌分析

2．6 实验误差分析

第三章 试验结果

3．1 热暴露前、后的显微组织观察

3．1．1 合金Ti-44Al-8Nb-1B的显微组织

3．1．2 合金Ti44Al-4Nb-4Hf-0．2Si-1B的显微组织

3．1．3 合金Ti-45．6Al-2．25Nb-1Cr-0．7Mn-0．15C-0．1Si的显微组织

3．1．4 热暴露后三种合金的组织和性能特征

3．2 疲劳长裂纹扩展速率

3．3 疲劳及损伤容限

3．3．1 合金Ti-44Al-8Nb-1B的损伤容限

3．3．2 合金Ti-44Al-4Nb-4Hf-0．2Si-1B的损伤容限

3．3．3 合金Ti-45．6Al-2．25Nb-1Cr-0．7Mn-0．15C-0．1Si的损伤容限

3．4 疲劳断口分析

3．5 裂纹的启裂及扩展扩展

第四章 分析与讨论

4．1 热暴露对全片层TiAl合金显微组织的影响

4．2 短缺口效应

4．3 有效裂纹过渡尺寸a0·eff，有效裂纹扩展门槛值△Keff．th

4．4 热暴露对TiAl合金损伤容限的影晌

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果