高温下钛合金微动疲劳行为及表面处理技术影响的研究

耐磨性能差是直接影响钛合金在航空发动机中安全使用的主要因素之一，由此可能引发压气机钛合金叶片榫头在工作过程中发生微动疲劳(FF)损伤而早期断裂。提高钛合金FF抗力是航空工业等部门关注的问题，但因FF过程的复杂性，FF机理尚不够清楚，FF研究中存在一定的盲目性，研究方法各异。本文针对上述问题，从影响高温下钛合金FF行为的关键环节入手，设计科学合理的高温FF试验方法。深入系统地研究FF影响因素对钛合金FF行为作用规律，探讨FF机理。结合对表面处理工艺技术及表层性能评价，研究喷丸强化三因素和表面膜层对钛合金FF抗力的影响。主要工作和取得的研究结论如下： (1)研究了位移幅度、接触压力、温度等几个主要因素对钛合金FF行为的影响。研究发现FF寿命位移幅度或接触压力增大呈现非单调变化规律，原因是位移幅度或接触压力变化影响疲劳和磨损在FF过程中所占比重，进而影响FF裂纹萌生几率和扩展驱动力，由此导致位移幅度或接触压力增大呈现非单调变化。温度升高加剧了环境的氧化和腐蚀作用，出现高温塑性变形机制(如蠕变)，并引起钛合金的变形抗力的下降，造成材料本身的疲劳性能恶化。 (2)喷丸强化是提高钛合金常温条件下FF抗力最为有效的方法，SP引入表面残余压应力，并使表面加工硬化和表面粗糙化。但对这三个因素在高温FF过程中所起的作用目前尚不明确。本文用分离三因素的方法研究了SP对高温下钛合金FF行为的影响。结果表明SP引入的表层残余压应力增加裂纹闭合力，是SP提高高温下钛合金FF抗力最为重要的因素；SP表面加工硬化作用在改善高温下钛合金的FF性能中为次要因素；SP造成的粗糙度增大在高温下对钛合金的FF性能的作用因表面存在机械损伤而呈现出不利的影响，这种影响同时与残余压应力的存在状态有关。 (3)研究了一种可望与SP联合作用能够提高钛合金FF抗力的新型表面处理技术离子束增强沉积CrMo、OCr18Ni9合金膜，探讨了该类膜层对高温下钛合金FF抗力的影响。利用X射线衍射技术、扫描电镜及光谱分析等手段，评价了IBED膜层的基本性能。结果表明，通过离子束增强沉积(IBED)技术，所获膜层致密度高，晶粒细化，空隙率低，膜基结合强度好。但CrMo合金膜层硬度高，韧性差，膜层脆性大，在以疲劳为主的FF过程中易发生破裂，形成裂纹快速进入基体，致使高温下钛合金FF抗力降低，与喷丸强化复合并未达到协同提高钛合金FF抗力的目标。