基于TC11电脉冲改性研究的飞机压气机叶片疲劳寿命分析

发布时间：2020-08-13 01:45

【摘要】：电脉冲处理工艺是一种高效、绿色的金属材料改性技术,研究该技术对我国材料科学和可持续发展具有重要推进意义。本文对航空用TC11钛合金材料进行电脉冲处理,研究脉冲电流对其力学性能的影响,并从多方面探讨电脉冲的作用机理,然后对TC11钛合金材料制造的压气机叶片进行疲劳寿命仿真,在构件层面验证脉冲电流的改性效果。首先利用红外热像仪观察电脉冲处理时试样的表面温度变化情况;接着利用拉伸试验机和高频疲劳试验机对电脉冲处理前后的标准TC11试棒进行拉伸和疲劳性能测试,并用P-N图法验证应力625 MPa下的TC11钛合金疲劳寿命服从正态分布。采用金相显微镜、超景深三维显微镜和扫描电子显微镜(SEM)、电阻率测试仪、显微硬度计分别观察和测量电脉冲处理后TC11钛合金试样的显微组织、疲劳和拉伸断口、电阻率、α相显微硬度的变化情况;再采用Ansys Workbench软件,结合拉伸试验中测得的参数对由TC11钛合金制作的飞机压气机叶片进行静力学分析,获取叶片危险点;最后利用疲劳分析软件,结合静力学分析结果和疲劳试验所得的S-N曲线,采用名义应力法和Miner累积损伤法则对叶片进行疲劳寿命计算,得到电脉冲处理前后叶片的疲劳寿命。研究结果表明,TC11钛合金经电脉冲处理后塑性提升11.3%,S-N曲线整体上移,疲劳极限提高了19.3 MPa,而弹性模量和抗拉强度保持不变。脉冲电流处理使TC11试样温度迅速升高,导致局部再结晶产生细小晶粒,从而改善材料拉伸性能。经电脉冲处理后的TC11钛合金拉伸断口韧窝少且深,疲劳断口上裂纹传播纹路清晰规则,疲劳裂纹源内移,α相显微硬度值提高14.9 HV,电阻率降低了0.433 mΩ·mm。电脉冲引起的材料内部局部温差场作用于微观缺陷,使缺陷与基体间产生压应力,促使微裂纹愈合,杂质与基体间啮合程度更高,减少TC11钛合金在受力作用时内部微裂纹的萌发概率,并且使材料内部应力集中部位发生应力松弛,微观组织转向更加均匀稳定的状态,力学性能也随之得到改善。由疲劳寿命仿真结果可知,与未处理材料制造的压气机叶片相比,由电脉冲处理的TC11钛合金制造的叶片的疲劳寿命增加了280500次。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V215.5
【图文】：

机盘、叶片等关键零部件[53-54]。表 2-1 TC11 钛合金化学成分(%, 质量分数)Ti Al Mo Zr Si Fe C Others88.042 6.763 3.064 1.412 0.265 0.210 0.082 Balance2 试样制备TC11 钛合金原始材料为棒材，在进行机加工之前先进行热处理，热处理双重退火：950℃1-2h，空冷；530℃6h，空冷。拉伸试样和疲劳试样都状，制备参考国家标准[55-56]，拉伸试样直接在车床上经粗车后半精车加工平行段直径为 8mm，而疲劳试样半精车后还经抛光处理，使圆弧表面更，最小处直径为 5 mm，其具体形状尺寸分别如图 2-1、2-2 所示。

图 2-2 TC11 钛合金疲劳试样形状和尺寸3 试样脉冲电流处理拉伸试样与疲劳试样制备完后，将两类试样再分别分成两组，一组试样保，另外一组在脉冲电流处理装置上进行电脉冲处理，脉冲电流处理装置由开发制造，其示意图如图 2-3 所示。

图 2-2 TC11 钛合金疲劳试样形状和尺寸 试样脉冲电流处理伸试样与疲劳试样制备完后，将两类试样再分别分成两组，一组试另外一组在脉冲电流处理装置上进行电脉冲处理，脉冲电流处理装发制造，其示意图如图 2-3 所示。

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本文编号：2791337