铸造缺陷和微观组织对Ti46Al8Nb合金力学性能的影响

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TiAl合金具有良好的高温强度和抗蠕变性能,是很有前景的高温关键部件的候选材料。与变形合金相比,铸造TiAl合金具有明显的成本优势。我们采用专利熔炼铸造技术已经实现了TiAl汽车排气阀和叶片的小规模批量生产,应用前景很好,但是与变形合金相比,铸态合金中不可避免地存在着各种各样的缺陷,因此它的力学性能与变形合金相比有自身的特点。人们对变形TiAl合金的力学性能开展了大量工作,但是目前对铸态合金的性能却鲜有研究,这在很大程度上限制了铸态合金的应用,因此对铸态合金进行系统的力学性能研究不仅必要,而且十分迫切。 本文研究了铸态Ti46Al8Nb合金热等静压前后的拉伸以及疲劳性能,并利用声发射方法研究了损伤在拉伸和疲劳过程中的积累过程。拉伸实验结果表明:消除了疏松的影响后,Ti46Al8Nb合金拉伸强度仍然有很大的数据分散性,相应的声发射行为也有很大差异,并和拉伸强度存在对应关系:低强度样品的声发射信号在很低的应力下产生,且信号源只集中于断裂面附近;而高强度样品开始出现声发射信号的应力相对比较高,信号源除了在断裂面附近较多,还广泛分布于样品的其它部位。断口分析和预拉伸着色实验发现不同强度的样品在拉伸载荷下的损伤特征不同:低强度样品的断口上往往有大面积的早期沿片层开裂的痕迹,而高强度样品断口形貌大多为片层断裂,这说明拉伸强度的数据分散性是由于合金晶粒粗大及其片层结构的拉伸行为明显各向异性所致。此外,将预拉伸后样品表面去除约300微米后,在随后的第二次拉伸过程中声发射Kaiser效应不再出现,说明拉伸加载初期(低应力下)该合金的损伤主要集中于近表面。 疲劳实验结果表明:Ti46Al8Nb合金的S-N曲线比较平坦,在R=-1时产生疲劳极限的应力约为160MPa。疲劳裂纹容易在片层界面上萌生,在疲劳断口上可以清晰地辨认出裂纹的萌生源。在相同应力水平下具有不同疲劳寿命的Ti46Al8Nb合金样品在循环载荷作用下的变形和断裂行为不同,因而具有不同的声发射行为:疲劳寿命比较低的样品在疲劳过程中,材料一直处于活跃阶段,声音信号一直都出现,而且声音信号强度由强逐渐变弱,再变强;而疲劳寿命比较高的样品在循环载荷的作用下存在休眠期,在这段时间里,样品内没有产生任何声音信号。不同疲劳寿命的样品声发射信号特征不同是由于循环载荷下裂纹发展过程不同造成的:低寿命样品中的微观结构短裂纹很快发展成为物理小裂纹,而高寿命样品中的裂纹的扩展遇到有效障碍,因而具有比较高的疲劳寿命。
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