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基于TC11电脉冲改性研究的飞机压气机叶片疲劳寿命分析

宋进林  
【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。


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