[发明专利]钛合金室温保载疲劳失效判定方法

说明书

技术领域：

本发明涉及钛合金疲劳失效领域，具体涉及一种钛合金室温保载疲劳失效判定方法，该方法能够判定钛合金疲劳失效是否由保载疲劳引起以及保载疲劳效应的强弱。

背景技术：

钛合金作为一类轻质高强材料，在航空航天领域运用广泛。其中，近α型和α+β型钛合金由于具有优异的抗蠕变和疲劳综合性能被用于制造航空发动机的压气机盘、风扇盘及其叶片等部件。对这些重要部件的疲劳寿命进行准确预测是保证航空器飞行安全的关键。通常，对部件所采用的材料在实验室阶段和平台测试阶段进行疲劳试验获得其疲劳寿命，并根据一定的安全设计法则，得出所制部件的检修或更换周期。因此，实验室或平台测试阶段所反映的疲劳寿命对服役寿命预测的准确度起决定性作用。由于航空器在实际飞行过程中所经历的载荷谱极其复杂，实验室测试阶段常采取简化的三角波形或正弦波形来描述其往复循环的疲劳行为。对于绝大多数材料，三角波和正弦波等疲劳波形不仅简洁可行，而且在反应部件疲劳寿命方面也具有代表性。

但利用简化的三角波疲劳波形对于部分钛合金部件进行寿命预测时出现问题，并引发航空事故。最早一次事故发生在上世纪70年代，Rolls-Royce公司提供的RB211发动机上两件由近α型IMI685合金制造的风扇盘在服役过程中发生提前失效。该部件在进入服役前通过了当时所有的疲劳检测标准，而失效时的疲劳寿命严重低于预测寿命。研究很快发现，疲劳寿命预测的严重偏差源自实验测试阶段所采用的疲劳描述波形不准确所致。航空发动机上钛合金部件的室温疲劳不能用普通的三角波形来描述，而应该利用与实际飞行载荷谱更接近的梯形波(在峰值应力下保持一段时间)来评价。随后的实验室研究也证明，提前失效的IMI685风扇盘的梯形波疲劳寿命显著低于普通三角波疲劳寿命。在峰值应力下保持一段时间的梯形波疲劳，便称为保载疲劳。在相同的应力条件下，保载疲劳寿命与普通疲劳寿命相比显著降低的现象称为保载效应。

对于这种基于非保载疲劳寿命进行预测存在严重偏离的情况，让航空部门感到忧虑并引起了极大关注。虽然保载疲劳问题较早已被发现，但至今仍未能得到妥善解决。最近一次的保载疲劳事故发生在1997年，加拿大国际航空公司一架从北京飞往温哥华的波音767-375ER客机在起飞过程中左翼发动机突然发生爆炸。事故调查结果表明此次事故为发动机的高压压气机盘发生保载疲劳失效所致。该客机采用的发动机为GE公司提供的CF6发动机，发生失效的部件是由近α型Ti6242合金制造的3～9级高压压气机盘。

保载效应的影响因素众多，主要可归纳为外部和内部因素。外部因素包括材料所处的峰值应力水平、保载时间以及峰谷值应力比，增加峰值应力和延长保载时间都会加剧保载效应；内部因素主要为合金类型、合金显微组织及微织构等情况，其中微织构的存在是导致近α型和α+β型钛合金产生保载效应的最直接原因。为应对保载疲劳问题，目前航空界主要采取调整飞行操作规程和更换合金的措施。调整操作规程是为了降低部件运行过程中的峰值应力水平，以减弱保载效应。合金更换则是利用保载效应较弱或不敏感的合金取代保载效应强的合金，如Rolls-Royce公司在RB211发动机出现保载疲劳问题后，采用Ti64取代IMI685合金制造风扇盘。而对于目前运用最为广泛的发动机压气机盘材料Ti6242合金，人们则希望采用保载不敏感的Ti6246或Ti17合金进行替代。由此可以看出，钛合金保载疲劳问题的出现一直影响着现代航空发动机的设计与制造。

航空发动机中实际服役部件所经历的载荷波形变化异常，诸如起飞、巡航、降落、技术操作和突发状况等，这种变幻的载荷波形对于船舶动力、发电设备等也类似。因此，除了航空领域，海洋船舶、石油化工和电力工业等领域也可能出现钛合金保载疲劳失效现象。