中科院力学所在航空发动机用钛合金高温疲劳研究中取得进展

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℃，σ_a=650 MPa，R=-1，N_f=2.7×10⁴ cyc)，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℃，σ_a=520 MPa，R=-1，N_f=7.6×10⁵ cyc)，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℃，σ_a=520 MPa，R=-1，Nf=1.0×10⁶ cyc)，i和j分别是h和i中裂纹萌生区域的放大图。

图2 400℃光滑试样(σ_a=520 MPa，R=-1，N_f=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3 400℃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4 a: 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。