热暴露TiAl合金表面缺陷和裂纹在交变载荷下的行为机制

通过系统揭示低、中、高屈服强度的多种成分的TiAl合金在700oC, 10000小时大气热暴露时内在组织的变化规律和表面氧化层的形成规律，深入研究一系列TiAl合金在不同热暴露状态（a.无热暴露, b.热暴露内部组织变化, c.热暴露内部组织变化＋表面氧化）下，在表面存在加工缺陷、短裂纹、各种应力集中时，这些表面缺陷与条件疲劳强度的定量关系，以及控制机理。从本质上理解疲劳样品表面短裂纹稳定存在，启裂，失稳等力学行为特征，揭示合金的化学成分、性能、组织结构和表面特征对这些行为的作用机制。此外，通过热暴露氧化研究，建立不同化学成分不同强度级别的多元TiAl合金在700oC，10000小时大气热暴露全过程中的氧化动力学曲线，系统揭示出氧化层的形成规律。通过对一系列TiAl合金在交变载荷下的缺陷和裂纹行为的研究，总结控制这些行为的内在规律，为TiAl合金的安全稳定的应用提供参考。

本课题研究了一种高强度TiAl合金的四种加工表面的样品在700ºC，10000小时热暴露前、后的交变疲劳行为。揭示了最大受力面上存在的加工缺陷、短裂纹和应力集中对该合金的疲劳裂纹萌生抗力的影响机制。研究发现，当交变最大应力低于合金的条件屈服强度时，最大受力面上不易出现局部区域塑性变形，软位向启动位错滑移导致微裂纹萌生的机制变得困难。在这样的情况下，最大受力面的表面质量变得极为关键。表面存在缺陷，微裂纹，应力集中，相当于使合金在交变应力下迈过裂纹萌生阶段，直接进入裂纹扩展阶段。 该课题同时发现，长期热暴露会导致该合金出现“热暴露强化”现象。研究认为，这与样品长时间处于高温环境中所引起的应力弛豫效应有关，而且应力弛豫现象带来的有利效果大于表层氧化产生的不利效果。研究发现，热暴露增强的幅度与样品表面加工质量呈反向关系。样品原始状态越差，热暴露对其造成的应力弛豫效果越明显，热暴露增强幅度越大。研究还证实，热暴露并未改变加工方式对疲劳性能的影响的原有趋势。热暴露后，样品的疲劳强度仍然呈现电解抛光>喷丸>直接线切割>V型缺口的总体规律。