高溫熱暴露的γ-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)下不同表面加工質量對合金疲勞性能的影響，同時對合金在700℃，7000小時過程中的氧化行為進行了評估和微觀分析。
　　 研究發(fā)現(xiàn):在該高強度TiAl合金的疲勞過程中，交變疲勞最大應力往往低于其條件屈服應力，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、質量變得極為關鍵。不同表面加工方式會顯著影響高強度TiAl合金的條件疲勞強度，無論在長期高溫熱暴露前和熱暴露后均是如此。700℃，10000小時熱暴露處理并未改變最大受力面的表面加工質量對條件疲勞強度的影響趨勢，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。同時發(fā)現(xiàn)，在低于條件屈服應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，條件疲勞強度出現(xiàn)“熱暴露增強”的現(xiàn)象，這與樣品長時間處于高溫環(huán)境中所引起的應力弛豫有關。應力弛豫導致樣品線切割表層的拉應力降低，噴丸表面壓應力層減薄，表層及次表層應力集中和缺陷出現(xiàn)的幾率減少，V型缺口根部的應力集中降低。大氣熱暴露導致的應力弛豫現(xiàn)象帶來的有利效果大于表層氧化產生的不利效果。研究還發(fā)現(xiàn)，熱暴露增強的幅度與樣品表面加工質量呈反向關系。樣品原始狀態(tài)越差，熱

4、暴露對其施加的應力弛豫效果越明顯，熱暴露增強幅度越大。單純熱暴露后的平面樣品不存在熱暴露對樣品的應力馳豫效應，其條件疲勞強度略有降低，這與熱暴露造成的微觀組織脆化和相變脆化有關。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因素，缺口根部都存在σmax＜σ0.1的受力情況，很難產生局部塑性變形，不會出現(xiàn)缺口根部的“缺口強化”效應。
　　 經歷了700℃，長達7000小時（熱暴露+表面氧化狀態(tài)的樣品經歷了10000

5、小時）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。氧化層主要由TiO2和Al2O3混合構成，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的遷移速率和擴散距離成為控制氧化層形貌的主要因素。
　　 結果表明: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，表面加工質量