【摘要】：電脈沖處理工藝是一種高效、綠色的金屬材料改性技術(shù),研究該技術(shù)對(duì)我國材料科學(xué)和可持續(xù)發(fā)展具有重要推進(jìn)意義。本文對(duì)航空用TC11鈦合金材料進(jìn)行電脈沖處理,研究脈沖電流對(duì)其力學(xué)性能的影響,并從多方面探討電脈沖的作用機(jī)理,然后對(duì)TC11鈦合金材料制造的壓氣機(jī)葉片進(jìn)行疲勞壽命仿真,在構(gòu)件層面驗(yàn)證脈沖電流的改性效果。首先利用紅外熱像儀觀察電脈沖處理時(shí)試樣的表面溫度變化情況;接著利用拉伸試驗(yàn)機(jī)和高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)電脈沖處理前后的標(biāo)準(zhǔn)TC11試棒進(jìn)行拉伸和疲勞性能測(cè)試,并用P-N圖法驗(yàn)證應(yīng)力625 MPa下的TC11鈦合金疲勞壽命服從正態(tài)分布。采用金相顯微鏡、超景深三維顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)、電阻率測(cè)試儀、顯微硬度計(jì)分別觀察和測(cè)量電脈沖處理后TC11鈦合金試樣的顯微組織、疲勞和拉伸斷口、電阻率、α相顯微硬度的變化情況;再采用Ansys Workbench軟件,結(jié)合拉伸試驗(yàn)中測(cè)得的參數(shù)對(duì)由TC11鈦合金制作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行靜力學(xué)分析,獲取葉片危險(xiǎn)點(diǎn);最后利用疲勞分析軟件,結(jié)合靜力學(xué)分析結(jié)果和疲勞試驗(yàn)所得的S-N曲線,采用名義應(yīng)力法和Miner累積損傷法則對(duì)葉片進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算,得到電脈沖處理前后葉片的疲勞壽命。研究結(jié)果表明,TC11鈦合金經(jīng)電脈沖處理后塑性提升11.3%,S-N曲線整體上移,疲勞極限提高了19.3 MPa,而彈性模量和抗拉強(qiáng)度保持不變。脈沖電流處理使TC11試樣溫度迅速升高,導(dǎo)致局部再結(jié)晶產(chǎn)生細(xì)小晶粒,從而改善材料拉伸性能。經(jīng)電脈沖處理后的TC11鈦合金拉伸斷口韌窩少且深,疲勞斷口上裂紋傳播紋路清晰規(guī)則,疲勞裂紋源內(nèi)移,α相顯微硬度值提高14.9 HV,電阻率降低了0.433 mΩ·mm。電脈沖引起的材料內(nèi)部局部溫差場作用于微觀缺陷,使缺陷與基體間產(chǎn)生壓應(yīng)力,促使微裂紋愈合,雜質(zhì)與基體間嚙合程度更高,減少TC11鈦合金在受力作用時(shí)內(nèi)部微裂紋的萌發(fā)概率,并且使材料內(nèi)部應(yīng)力集中部位發(fā)生應(yīng)力松弛,微觀組織轉(zhuǎn)向更加均勻穩(wěn)定的狀態(tài),力學(xué)性能也隨之得到改善。由疲勞壽命仿真結(jié)果可知,與未處理材料制造的壓氣機(jī)葉片相比,由電脈沖處理的TC11鈦合金制造的葉片的疲勞壽命增加了280500次。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V215.5
【圖文】：

機(jī)盤、葉片等關(guān)鍵零部件[53-54]。表 2-1 TC11 鈦合金化學(xué)成分(%, 質(zhì)量分?jǐn)?shù))Ti Al Mo Zr Si Fe C Others88.042 6.763 3.064 1.412 0.265 0.210 0.082 Balance2 試樣制備TC11 鈦合金原始材料為棒材，在進(jìn)行機(jī)加工之前先進(jìn)行熱處理，熱處理雙重退火：950℃1-2h，空冷；530℃6h，空冷。拉伸試樣和疲勞試樣都狀，制備參考國家標(biāo)準(zhǔn)[55-56]，拉伸試樣直接在車床上經(jīng)粗車后半精車加工平行段直徑為 8mm，而疲勞試樣半精車后還經(jīng)拋光處理，使圓弧表面更，最小處直徑為 5 mm，其具體形狀尺寸分別如圖 2-1、2-2 所示。

圖 2-2 TC11 鈦合金疲勞試樣形狀和尺寸3 試樣脈沖電流處理拉伸試樣與疲勞試樣制備完后，將兩類試樣再分別分成兩組，一組試樣保，另外一組在脈沖電流處理裝置上進(jìn)行電脈沖處理，脈沖電流處理裝置由開發(fā)制造，其示意圖如圖 2-3 所示。

圖 2-2 TC11 鈦合金疲勞試樣形狀和尺寸 試樣脈沖電流處理伸試樣與疲勞試樣制備完后，將兩類試樣再分別分成兩組，一組試另外一組在脈沖電流處理裝置上進(jìn)行電脈沖處理，脈沖電流處理裝發(fā)制造，其示意圖如圖 2-3 所示。

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