低塑性滚压钛合金TC4表面完整性及低周疲劳寿命研究.doc

低塑性滚压钛合金TC4表面完整性及低周疲劳寿命研究随着科学技术的发展,现代航空工业对航空发动机零件材料性能和疲劳寿命提出了更高要求。提高材料强度等性能,减少材料失效,延长零件服役寿命成为先进制造技术领域的重大课题。钛合金广泛应用于制造航空发动机零部件,目前所有钛合金产品中的60%为α+β钛合金TC4(Ti-6Al-4V),其在飞机钛合金结构零件用量中约占80%。航空发动机零件在工作中的失效多发生在零件的表面和近表面,或者先从表面开始,然后向内部扩散而导致零件失效,以至最终影响发动机的性能、寿命。低塑性滚压加工钛合金TC4表面完整性及其低周疲劳寿命的研究已成为当前的热点研究问题。首先,用低塑性滚压工艺加工钛合金TC4棒料,对比精车加工,对其表面完整性进行分析,利用单因素试验法研究其工艺参数——滚压速度Vbur、进给速度fbur、液压油预压力尸、滚压道次n——对表面完整性的影响,选择表面形貌及表面粗糙度、表面层显微硬度、表面残余应力作为评价表面完整性的技术指标,探索低塑性滚压工艺参数对表面完整性的影响规律。低塑性滚压可消除车削加工在钛合金TC4工件表面的残留刀痕,表面粗糙度降低30%-50%,在TC4加工表面产生深度100μm左右的表面硬化层,表面最大硬度超过360HV0.05,并且在表面产生较高的残余压应力,表面残余压应力最高可达-636MPa。研究发现,经过低塑性滚压加工的TC4工件表层材料发生塑性流动,产生塑性应变,并且同亚表层材料的弹性变形共同作用是其表面完整性改善的直接原因。实际加工时,在保证加工效率和经济性的情况下,应该通过提高液压油预压力来改善TC4零件表面完整性,滚压道次控制在2次以内,采用较低的滚压速度和前加工相同或稍低的进给速度。然后,通过Abaqus/Explicit有限元软件建立了低塑性滚压钛合金TC4表面残余应力分布的2D仿真模型,分析液压油预压力对TC4表面残余应力分布的影响规律。仿真结果表明,低塑性滚压加工TC4表面残余压应力呈勺形分布,表面残余压应力层厚度随液压油预压力的提高而增加,表面残余压力层厚度为0.25-0.4mm。最后,对经过低塑性滚压加工的试样进行低周疲劳寿命测试,分析低塑性滚压加工试样相对精车试样的疲劳寿命变化和液压油预压力对其低周疲劳寿命的影响规律。低塑性滚压加工TC4试样的低周疲劳寿命相对精车试样提高6倍,钛合金TC4疲劳寿命随着液压油预压力的增加而延长。通过低周疲劳试验和断口分析发现,低塑性滚压加工可减少疲劳裂纹源,并且减缓疲劳裂纹的萌生与扩展,从而提高加工试样的低周疲劳寿命。