含钨铌γ-TiAl合金的热暴露疲劳行为和损伤容限研究

摘要

本文对高强度的细晶粒γ-TiAl合金Ti-44.5Al-5Nb-0.85W-0.85B（at.％，简称5Nb-1W-1B合金）和中等强度的粗晶粒γ-TiAl合金Ti-46A1-5Nb-1W(at.％，简称5Nb-1W合金)样品的表面引入了不同深度（0-800μm）的单边缺口，利用载荷阶梯升值法，研究了长期大气热暴露(700℃，10000h)前、后合金的组织褪变、疲劳性能以及对表面缺口的容忍限度。以Kitagawa-Takahashi线图（简称K-T线图）的形式对热暴露引起的疲劳强化，长裂纹扩展门槛值以及热暴露对表面损伤的容忍限度的影响进行了定量分析和讨论。
　　研究发现，10000小时的热暴露对两种合金的微观组织及疲劳行为均产生了相互对抗的效应。长期高温热浴浸泡产生类似回火的稳态作用，促使产生了“热暴露强化”的良性效应。而热暴露也会导致合金中α2层片的分解和ω相的析出、聚集和粗化，从而产生了“热暴露组织脆化”的有害效应。对于细晶粒合金5Nb-1W-1B，由于含较多的α2片层和晶界偏聚β(B2+ω)相，其“热暴露组织脆化效应”较粗晶粒合金5Nb-1W大，导致当热暴露时间小于5000小时时，有害效应大于良性效应，疲劳极限有所下降;而当热暴露时间为10000小时时，热暴露导致回火的良性效应大于组织脆化的有害效应，使得光滑样品的疲劳极限在高温热暴露后有所增加。
　　研究还发现，两种合金的无害缺陷尺寸在热暴露前、后都较小，均低于10μm（细晶粒合金热暴露前、后分别为4μm、7μm;粗晶粒合金前后均为4μm）。在其后的一个过渡尺寸范围内（细晶粒合金热暴露前、后分别为4-300μm、7-500μm;粗晶粒合金分别为4-200μm、4-250μm），合金的疲劳行为既不符合光滑样品的行为，也不符合缺口样品的长裂纹行为，而在低于光滑样品和线弹性断裂力学所预测的疲劳极限条件下失效，这称之为“短缺口效应”。为安全考虑，需要重新确定两种合金长裂纹的有效疲劳裂纹扩展门槛值△Keff.th和有效裂纹过渡尺寸a0.eff。这可从S-N疲劳极限和长裂纹启裂门槛值入手构建的K-T线图获得。
　　长期热暴露明显增大了细晶粒合金5Nb-1W-1B短缺口有害效应的尺寸范围，这是长期热暴露在合金内部致生明显组织脆化（包括释氧脆化和相变脆化）所致，使得材料对短缺口变得更为敏感;对于粗晶粒合金5Nb-1W，同样的热暴露对短缺口效应的影响不如对细晶粒合金那样显著。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 TiAl合金的应用背景及研究现状

1．2 TiAl合金的基本特性

1．2．1 TiAl合金的相图与晶体结构

1．2．2 TiAl合金的显微组织及控制

1．3 TiAl合金的合金化发展

1．3．1 合金元素对TiAl合金基本行为的影响

1．3．2 合金元素对TiAl合金性能的影响

1．4 TiAl合金的抗氧化行为研究

1．4．1 合金化

1．4．2 表面涂层防护

1．5 TiAl合金的断裂行为研究

1．5．1 TiAl合金的断裂机理

1．5．2 TiAl合金的疲劳行为研究

1．6 本课题的提出

1．7 本课题研究的目的、意义及主要内容

1．7．1 本课题研究的目的、意义

1．7．2 本课题研究的主要内容

第2章 实验方案与方法

2．1 实验材料及样品准备

2．2 实验材料分组及高温热暴露处理

2．3 实验方法

2．3．1 光滑样品的高周疲劳强度试验(HCF)

2．3．2 疲劳长裂纹扩展速率(FCPR)实验

2．3．3 缺口样品的高周疲劳强度试验

2．3．4 显微组织观察

第3章 热暴露对5Nb-1W-1B合金组织及疲劳性能的影响研究

3．1 合金成分测定

3．2 热暴露前5Nb-1W-1B合金的显微组织

3．3 热暴露后5Nb-1W-1B合金的显微组织

3．4 热暴露前、后5Nb-1W-1B合金的疲劳性能

3．5 热暴露前、后5Nb-1W合金的组织和疲劳性能

3．6 分析讨论

3．6．1 热暴露对含钨铌γ-TiAl合金组织的影响

3．6．2 热暴露对含钨铌γ-TiAl合金疲劳性能的影响

3．7 本章小结

第4章 TiAl合金的疲劳损伤容限研究

4．1 疲劳裂纹扩展速率(FCPR)

4．1．1 合金5Nb-1W-1B的条件疲劳门槛值

4．1．2 合金5Nb-1W的条件疲劳门槛值

4．2 Kitagawa-Takahashi线图

4．2．1 合金5Nb-1W-1B的Kitagawa-Takahashi线图

4．2．2 合金5Nb-1W的Kitagawa-Takahashi线图

4．3 疲劳裂纹扩展及疲劳断口形貌分析

4．3．1 5Nb-1W-1B合金的裂纹扩展观察及断口形貌

4．3．2 5Nb-1W合金的裂纹扩展观察及断口形貌

4．4 分析讨论

4．4．1 短缺口效应

4．4．2 热暴露对TiAl合金损伤容限的影响

4．4．3 晶粒尺寸与缺口敏感性的关系

4．4 本章小结

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