超声滚压对Ti-6Al-4V合金高低周疲劳性能影响研究

发布时间：2020-05-07 13:35

【摘要】：在航空发动机叶片制造领域,表面完整性对于服役部件在严苛环境下的工程可靠性和服役寿命有着重要的影响。表面强化技术能有效提高部件可靠性并延长其服役寿命。且由于其卓越的实用性和经济性,在过去的数十年间,对该技术的研究日渐兴起。然而,表面强化技术对材料表面完整性的作用关系,仍需要大量的试验数据对理论研究作以支撑。表面强化处理能在材料表面诱导产生残余压应力,同时改变其微观结构。但部件在服役过程中,由于受到疲劳载荷等外载荷作用,残余压应力场及微观结构并不能保持稳态,残余压应力会随着疲劳载荷的作用发生释放,同时其微观结构也会发生一定的演化。本文以超声滚压为技术手段,对滚压后Ti-6Al-4V合金表面完整性及其对疲劳性能的影响展开研究,探讨了循环载荷作用下残余应力的释放机制,得到了适合超声滚压Ti-6Al-4V残余应力释放的经验模型。论文的主要研究内容和结论如下:(1)进行了不同遍数的超声滚压加工试验,探讨了滚压遍数对Ti-6Al-4V合金表面完整性的影响。试验结果表明,滚压遍数的增加能显著降低被加工面的粗糙度、提高表面显微硬度、增加残余压应力的分布范围。澄清了超声滚压后Ti-6Al-4V合金表面纳米晶粒的形成机制,即塑性变形和位错运动主导的晶粒细化过程。(2)系统研究了超声滚压Ti-6Al-4V合金在应力及应变控制两种载荷模式下的低周疲劳性能。结果表明:在低载荷区间内,超声滚压对钛合金应力控制和应变控制疲劳寿命都有明显的提升。而在高载荷区,超声滚压的作用逐渐减弱。超声滚压对材料低周疲劳性能的提高主要体现在裂纹起裂和扩展两个阶段,并分别从粗糙度、残余应力和微观结构方面做了探讨。对比两种载荷模式的疲劳试验结果,发现超声滚压后,在高应力区,由应力控制疲劳引起的损伤和应变控制疲劳引起的损伤差异减小,这主要是由于超声滚压后材料的循环软化特性减弱。(3)进行了超声滚压处理后Ti-6Al-4V合金高周疲劳试验,发现超声滚压处理未能有效提高Ti-6Al-4V合金高周疲劳寿命。虽然断口观察显示超声滚压阻碍了疲劳裂纹从材料表面萌生,但超声滚压后的试样高周疲劳寿命却没有提高,这可能是由于高频率的循环加载带来的两组试样发热差异性导致的。(4)研究了超声滚压后Ti-6Al-4V合金在循环载荷作用下的表面残余应力释放行为及表面微纳结构的演化。采用间断的应变控制和应力控制疲劳试验,研究了超声滚压诱导的表面残余应力在不同载荷水平下的释放规律。研究发现:在第一个循环周次后,所有载荷水平的试样均发生了残余应力释放,而后续的释放程度和释放速率与外加的载荷水平有关。而且,在循环载荷作用下,Ti-6Al-4V合金表面的纳米晶粒发生粗化。疲劳过程中的残余应力释放和表面纳米晶粒的粗化都与载荷引起的塑性变形密切相关。(5)总结和梳理了现有的循环载荷残余应力释放模型,并基于现有模型,结合本文的残余应力释放试验结果,得到了在循环载荷作用下超声滚压Ti-6Al-4V合金表面残余应力释放的经验公式。
【图文】：

示意图,晶胞,钛合金,相组成

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｏｆ邋（ａ）邋ａ－邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｐ－ｔｉｔａｎｉｕｍ逡逑麦克格维伦在１９５６年提出根据退火态相组成对钛合金进行分类，该方法称为古典逡逑的钛合金分类法，其简图如图１．２所示。这种分类方法将钛合金分为三种类型：ａ型、逡逑ａ＋Ｐ型和Ｐ型。ａ型钛合金主要应用于化工和加工工业。这些应用行业中首要考虑的是逡逑合金是否具备优秀的抗腐蚀性能和形变能力，而对其高比强性能的要求次之；ａ＋卩型钛逡逑合金一般具有高强度和高幵性，在航空工业领域有着广泛的应用，如Ｔｉ－６－６－２，主要应逡逑用于燃气涡轮发动机中的高温零件；！３型钛合金在进几十年的工业应用领域中的重要性逡逑逐步提高，这类合金因具有较为复杂的显微组织结构而具备获得更高的强度和韧性，，但逡逑密度高、可焊接性适中和抗氧化性能差等因素也限制了该类合金的更广泛应用［６］。逡逑ａ逦Ｍｅｔａｓｉａｂｌｅ邋Ｓｔａｂｌｅ逡逑ａ＋Ｐ邋Ａｌｌｏｙ逡逑Ａｌｌｏｖ逦｜ｉ邋Ａｌｌｏｖ邋ｐ邋Ａｌｌｏｙ逡逑Ｉ邋＼邋ｘ邋ａ４＊ｐ逡逑Ｐ－邋Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ邋Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ逡逑图１．２邋ｐ稳定化元素对钛合金组织影响示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｐｓｅｕｄｏ－ｂｉｎａｒｙ邋ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｔｈｒｏｕｇｈ邋ａ邋Ｐ邋ｉｓｏｍｏｒｐｈｏｕｓ邋ｐｈａｓｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋（ｓｃｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙ）逡逑

示意图,钛合金,稳定化,元素对

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【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231.95

【参考文献】