高溫?zé)岜┞兜摩?TiAl基合金表面微裂紋萌生行為與疲勞壽命的研究.pdf

1、本文系統(tǒng)研究了近片層組織的γ-TiAl合金Ti-44Al-4Nb-4Zr-0.2Si-1B(at.％)在無熱暴露狀態(tài)，單純熱暴露狀態(tài)以及熱暴露+表面氧化狀態(tài)下不同表面加工質(zhì)量對(duì)合金疲勞性能的影響，同時(shí)對(duì)合金在700℃，7000小時(shí)過程中的氧化行為進(jìn)行了評(píng)估和微觀分析。
　　 研究發(fā)現(xiàn):在該高強(qiáng)度TiAl合金的疲勞過程中，交變疲勞最大應(yīng)力往往低于其條件屈服應(yīng)力，最大受力面上不易出現(xiàn)局部區(qū)域塑性變形。在這樣的情況下，最大受力面的表面

2、質(zhì)量變得極為關(guān)鍵。不同表面加工方式會(huì)顯著影響高強(qiáng)度TiAl合金的條件疲勞強(qiáng)度，無論在長(zhǎng)期高溫?zé)岜┞肚昂蜔岜┞逗缶侨绱恕?00℃，10000小時(shí)熱暴露處理并未改變最大受力面的表面加工質(zhì)量對(duì)條件疲勞強(qiáng)度的影響趨勢(shì)，始終呈現(xiàn)出電解拋光＞噴丸＞直接線切割＞V型缺口的總體趨勢(shì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低于條件屈服應(yīng)力下疲勞裂紋的萌生均屬于材料屈服前的早期裂紋萌生，合金中弱的組織和相成為其萌生的優(yōu)先選擇:這包括等軸γ晶粒聚集區(qū)域，偏聚在晶界位置的B2(ω)晶

3、塊以及處于軟位向的α2/γ片層界面。
　　 熱暴露+表面氧化后，條件疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)“熱暴露增強(qiáng)”的現(xiàn)象，這與樣品長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境中所引起的應(yīng)力弛豫有關(guān)。應(yīng)力弛豫導(dǎo)致樣品線切割表層的拉應(yīng)力降低，噴丸表面壓應(yīng)力層減薄，表層及次表層應(yīng)力集中和缺陷出現(xiàn)的幾率減少，V型缺口根部的應(yīng)力集中降低。大氣熱暴露導(dǎo)致的應(yīng)力弛豫現(xiàn)象帶來的有利效果大于表層氧化產(chǎn)生的不利效果。研究還發(fā)現(xiàn)，熱暴露增強(qiáng)的幅度與樣品表面加工質(zhì)量呈反向關(guān)系。樣品原始狀態(tài)越差，熱

4、暴露對(duì)其施加的應(yīng)力弛豫效果越明顯，熱暴露增強(qiáng)幅度越大。單純熱暴露后的平面樣品不存在熱暴露對(duì)樣品的應(yīng)力馳豫效應(yīng)，其條件疲勞強(qiáng)度略有降低，這與熱暴露造成的微觀組織脆化和相變脆化有關(guān)。在三種熱暴露狀態(tài)下，V型缺口(kt=3.0)均是疲勞斷裂的主導(dǎo)因素，缺口根部都存在σmax＜σ0.1的受力情況，很難產(chǎn)生局部塑性變形，不會(huì)出現(xiàn)缺口根部的“缺口強(qiáng)化”效應(yīng)。
　　 經(jīng)歷了700℃，長(zhǎng)達(dá)7000小時(shí)（熱暴露+表面氧化狀態(tài)的樣品經(jīng)歷了10000

5、小時(shí)）的氧化樣品，表現(xiàn)出良好的抗氧化性能，這與添加的Nb和Si等合金元素改善了合金抗氧化性能以及選取的700℃的氧化溫度有關(guān)。氧化層主要由TiO2和Al2O3混合構(gòu)成，且氧化層的成分分布不均勻，富Al2O3相不連續(xù)的分布在TiO2層中。Ti、Al、O的遷移速率和擴(kuò)散距離成為控制氧化層形貌的主要因素。
　　 結(jié)果表明:不同的表面加工方式是決定表面裂紋啟裂和條件疲勞強(qiáng)度的首要因素。在γ-TiAl合金零部件加工制造過程中，表面加工質(zhì)量