航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。叶片是航空发动机的关键零部件,其在服役寿命内承受高温高周甚至超高周次(>107)循环载荷作用。同时,实际零部件在材料的制备、加工以及使用过程中通常不可避免地存在各种类型缺陷。因此,揭示钛合金高温高周和超高周疲劳特性以及其缺陷敏感性具有重要科学意义和工程应用价值。
力学所非线性力学国家重点实验室微结构计算力学课题组,研究揭示航空发动机叶片用TC17钛合金高温(200℃和400℃)高周疲劳裂纹起源于试样表面或内部(图1),表面裂纹萌生是由于富氧层开裂或氧化物脱落导致的(图1a-1g),内部裂纹萌生是位错相互作用导致晶粒细化进而诱导的(图2)。在实验结果基础上,提出400℃时TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型(图3)。
进一步研究表明,含表面缺陷TC17钛合金应力-寿命数据在高周和超高周(>107)阶段具有平台区特征。表面缺陷显著降低TC17钛合金室温和高温疲劳强度,但高温并未降低含缺陷试样的疲劳强度(图4a),一个重要原因是高温下形成较硬的氧化层抑制了表面裂纹萌生,提升了疲劳性能。研究还发现,高温和缺陷对TC17钛合金高周和超高周疲劳强度的影响可以近似表示成(图4b):其中σfs疲劳强度(单位:MPa),t是温度(单位:℃),
是缺陷垂直于主应力轴的投影面积(单位:μm),
。研究成果对于理解钛合金高温高周和超高周疲劳失效机制以及含缺陷钛合金的疲劳强度预测具有重要价值。
图1光滑试样疲劳断口SEM图像。a-c:氧化物入侵诱导的表面裂纹萌生(200℃,σa=650 MPa,R=-1,Nf=2.7×104cyc),b和c分别是a中上面和右侧裂纹萌生区域的放大图。d-g:氧化物脱落诱导的表面裂纹萌生(400℃,σa=520 MPa,R=-1,Nf=7.6×105cyc),e是d中裂纹萌生区域的放大图,f和g分别是e中相应区域的放大图。h-j:内部裂纹萌生(400℃,σa=520 MPa,R=-1,Nf=1.0×106cyc),i和j分别是h和i中裂纹萌生区域的放大图。
图2400℃光滑试样(σa=520 MPa,R=-1,Nf=1.0×106)疲劳断口粗糙区域微结构观测结果。a:SEM图像,短线为提取位置。b:a中位置b沿主应力方向剖面SEM观测结果。c-e:a中位置c沿主应力方向剖面的反极图、相图和TEM图片。f和g:分别为e中区域1的暗场像和区域2的放大图。
图3400℃时TC17钛合金表面裂纹萌生和内部裂纹萌生竞争模型。a和b:富氧部位脆性断裂引发表面裂纹萌生的横截面图和侧面图。c和d:氧化物脱落引发表面裂纹萌生的横截面图和侧面图。e和f:内部裂纹萌生的横截面图和侧面图。
图4a: 光滑试样和缺陷试样疲劳强度(2×107 cyc)与温度之间关系. b: 高温和缺陷对TC17钛合金超高周(2×107 cyc)疲劳强度的影响模型与实验数据比较,空心符号表示光滑试样的疲劳强度. 这里应力均为名义应力, 计算截面为试样最小截面
相关研究成果发表在J Mater Sci Technol 2022, 122: 128–140. 力学所特别研究助理李根为论文第一作者,孙成奇研究员为通讯作者。研究得到基金委重大研究计划“航空发动机高温材料/先进制造及故障诊断科学基础”培育项目(91860112)支持。
[来源:中国科学院力学研究所]
预算1.8亿元!浙江大学公布一批2022年专用仪器类政府采购意向
2022.03.30
2024.07.29
2024.07.25
低空经济丨谱视界无人机载光谱分析系统,蓄力“低空+治理”,实现无人化监测!
2024.07.22
搭平台、聚产研、谋创新!2024第十六届试验与测试技术发展论坛圆满召开
2024.07.20
2024.07.15
版权与免责声明:
① 凡本网注明"来源:仪器信息网"的所有作品,版权均属于仪器信息网,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:仪器信息网"。违者本网将追究相关法律责任。
② 本网凡注明"来源:xxx(非本网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。如其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。
③ 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起两周内与本网联系,否则视为默认仪器信息网有权转载。
谢谢您的赞赏,您的鼓励是我前进的动力~
打赏失败了~
评论成功+4积分
评论成功,积分获取达到限制
投票成功~
投票失败了~