董成利, 胡曉安

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 應(yīng)用評(píng)價(jià)中心，北京 100095；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌 330063）

TiAl合金具有低密度、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的高溫性能等綜合優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的制造，成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎳基高溫合金制造渦輪葉片的唯一候選材料，應(yīng)用前景廣闊[1-2]。經(jīng)過(guò)多年蓬勃發(fā)展，TiAl合金在國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始工程化驗(yàn)證和應(yīng)用。實(shí)際上，日本三菱公司早在1999年就將研制的TiAl合金渦輪增壓器應(yīng)用于Lancer汽車中，首次成功實(shí)現(xiàn)了TiAl合金的商業(yè)化應(yīng)用[3]。特別是在過(guò)去幾十年里，TiAl合金在國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪葉片上得到了廣泛應(yīng)用，GE公司將TiAl合金分別應(yīng)用在飛機(jī)Boeing 787的發(fā)動(dòng)機(jī)GEnx 1B和飛機(jī)Boeing 747-8的發(fā)動(dòng)機(jī)GEnx 2B低壓渦輪葉片上，P&W公司將TiAl合金應(yīng)用在飛機(jī)Airbus 320-Neo的發(fā)動(dòng)機(jī)PW1100G低壓渦輪葉片上，R&R公司將TiAl合金應(yīng)用在飛機(jī)Airbus 350-XWB的發(fā)動(dòng)機(jī)Trent XWB低壓渦輪葉片上[4-5]?？梢?jiàn)，歐美國(guó)家三大航空發(fā)動(dòng)機(jī)巨頭非常重視TiAl合金的材料研制和工程化應(yīng)用，憑借其雄厚的技術(shù)實(shí)力，已取得了明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。雖然國(guó)內(nèi)很多院所開(kāi)展了TiAl合金的研制，但由于研究工作起步較晚，技術(shù)儲(chǔ)備和積累不足，所以TiAl合金在國(guó)內(nèi)的工程應(yīng)用還需要進(jìn)行持續(xù)探索和深入研究。

TiAl合金的工程化應(yīng)用離不開(kāi)其綜合性能的實(shí)驗(yàn)與分析工作。截止到目前，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)各種TiAl合金的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)與表征方法開(kāi)展了大量的研究工作，主要涉及TiAl合金的拉伸[6]、低周疲勞[7]、高周疲勞[8]、蠕變/持久[9]、裂紋擴(kuò)展[10]和斷裂特性[11]等。通過(guò)對(duì)TiAl合金力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)與表征的研究工作，已基本掌握了該合金的力學(xué)性能，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。TiAl合金若要取代鎳基高溫合金制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，必然在渦輪葉片的高溫疲勞及疲勞-蠕變交互的服役工況下工作。為了保證TiAl合金渦輪葉片在高溫循環(huán)載荷下具有足夠的強(qiáng)度和壽命，有必要開(kāi)展TiAl合金的高溫疲勞及疲勞-蠕變交互力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)與壽命分析工作，從而獲得其疲勞力學(xué)性能數(shù)據(jù)，主要包括穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)、循環(huán)硬化/軟化、應(yīng)力松弛等，然后建立壽命預(yù)測(cè)模型，為評(píng)估TiAl合金及其零部件的強(qiáng)度和壽命奠定基礎(chǔ)。

本工作首先針對(duì)TiAl合金開(kāi)展750 ℃條件下的拉伸、低周疲勞和疲勞-蠕變交互性能實(shí)驗(yàn)，分析并比較低周疲勞和疲勞-蠕變交互性能的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)、循環(huán)硬化/軟化、應(yīng)力松弛以及壽命規(guī)律。然后，分別采用考慮平均應(yīng)力的Morrow修正方法和本工作提出的統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)方法對(duì)TiAl合金的低周疲勞和疲勞-蠕變交互壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)與分析。最后，結(jié)合斷口分析，對(duì)TiAl合金高溫低周疲勞和疲勞-蠕變交互失效機(jī)理進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

TiAl合金名義成分為Ti-44Al-3.0Nb-2.0Mn-0.02B（原子分?jǐn)?shù)/%），首先采用真空電弧熔化（vacuum arc remelting，VAR）爐熔化并使用真空感應(yīng)凝殼（vacuum skull melting，VSM）熔煉法重熔三次從而消除成分偏析，在1230 ℃/140 MPa條件下熱等靜壓（hot isostatic pressing，HIP），并在氬氣氛圍下保溫3 h。圖1（a）和（b）分別為TiAl合金的原始顯微組織圖和顯微組織放大圖。從圖1可以看出，該TiAl合金呈現(xiàn)出典型的近片層（nearly lamellar，NL）結(jié)構(gòu)形貌，該NL結(jié)構(gòu)包含了平均尺寸約為100 μm的α2/γ片層團(tuán)和γ相，且γ相均勻分布在α2/γ片層團(tuán)內(nèi)部以及晶界上。

高溫拉伸圓棒試樣用于測(cè)試TiAl合金的拉伸性能，其標(biāo)矩段直徑 × 長(zhǎng)度為φ5 mm × 25 mm，拉伸試樣總長(zhǎng)為71 mm。高溫疲勞圓棒試樣用于測(cè)試TiAl合金的低周疲勞和疲勞-蠕變交互性能，其標(biāo)矩段直徑 × 長(zhǎng)度為φ6 mm × 14 mm，拉伸試樣總長(zhǎng)為90 mm。圖2分別給出了高溫拉伸圓棒試樣和高溫疲勞圓棒試樣的實(shí)物圖。在開(kāi)展高溫實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)高溫拉伸圓棒試樣和高溫疲勞圓棒試樣的標(biāo)矩段進(jìn)行了拋光，從而減小甚至消除劃痕、毛刺及其他表面缺陷對(duì)TiAl合金力學(xué)性能的影響。

圖 1 TiAl合金的原始顯微組織圖 （a）整體形貌；（b）放大圖Fig. 1 Microstructures of TiAl alloy （a）whole view；（b）enlarged view

圖 2 TiAl合金試樣實(shí)物圖 （a）拉伸試樣；（b）低周疲勞及疲勞-蠕變交互試樣Fig. 2 Solid specimens of TiAl alloy （a）tensile specimens；（b）LCF and CFI specimens

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫拉伸性能

圖3為TiAl合金在750 ℃下的高溫拉伸性能實(shí)驗(yàn)曲線。TiAl合金的拉伸性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：彈性模量約為145 GPa，屈服強(qiáng)度約為344 MPa，抗拉強(qiáng)度約為470 MPa，伸長(zhǎng)率約為8.6%。

圖 3 TiAl合金高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線Fig. 3 High temperature tensile stress-strain curve of TiAl alloy

2.2 高溫疲勞及疲勞-蠕變交互性能

2.2.1 穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)分析

圖4為TiAl合金在750 ℃且應(yīng)變幅為0.4%條件下的疲勞-蠕變交互性能的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線，該類應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線取自TiAl合金的半壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，將TiAl合金在應(yīng)變幅為0.4%條件下的低周疲勞應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線放在圖中，主要目的是與疲勞-蠕變交互性能的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行比較。對(duì)于TiAl合金低周疲勞性能實(shí)驗(yàn)，可以看出其應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線相對(duì)于應(yīng)變軸呈反對(duì)稱形式，即最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的絕對(duì)值近似相等。對(duì)于TiAl合金疲勞-蠕變交互性能實(shí)驗(yàn)，可以看出其應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線已與低周疲勞的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線有較大差別，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）其應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線相對(duì)于應(yīng)變軸不再呈反對(duì)稱形式，最小應(yīng)力的絕對(duì)值大于最大應(yīng)力，且隨著保載時(shí)間的增加，最小應(yīng)力的絕對(duì)值與最大應(yīng)力的差值越來(lái)越大；（2）隨著保載時(shí)間的增加，疲勞-蠕變交互性能的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線出現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，這一現(xiàn)象主要是由于保載產(chǎn)生的蠕變效應(yīng)引起的。值得注意的是，TiAl合金在保載150 s和保載210 s時(shí)，兩者的疲勞-蠕變交互性能的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線形式非常接近，這說(shuō)明保載時(shí)間產(chǎn)生的應(yīng)力松弛基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。另外，應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線所圍成的面積代表了作用于材料的塑性應(yīng)變能，施加外載荷在材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變能將顯著降低疲勞壽命。也就是說(shuō)，相同實(shí)驗(yàn)條件下，應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線的面積越大，其疲勞壽命越低，這也可以定性地解釋具有保載效應(yīng)的疲勞-蠕變交互壽命比低周疲勞壽命低的原因。

2.2.2 循環(huán)應(yīng)力分析

圖5給出了TiAl合金在不同保載時(shí)間下的疲勞-蠕變交互循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線，同時(shí)也給出了低周疲勞循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線以作比較分析。對(duì)于TiAl合金的低周疲勞性能實(shí)驗(yàn)，可以看出在初始的循環(huán)時(shí)間里，TiAl合金呈現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象，之后循環(huán)應(yīng)力基本保持不變達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，后來(lái)出現(xiàn)了較小程度的循環(huán)軟化。而對(duì)于TiAl合金的疲勞-蠕變交互性能實(shí)驗(yàn)，TiAl合金在初始的循環(huán)時(shí)間里即呈現(xiàn)明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象，隨后循環(huán)軟化程度有所降低，但在整個(gè)壽命期，TiAl合金均表現(xiàn)出循環(huán)軟化現(xiàn)象。另外，隨著保載時(shí)間的增加，TiAl合金的循環(huán)軟化效應(yīng)也越明顯。有研究[12]表明：保載時(shí)間產(chǎn)生的循環(huán)軟化效應(yīng)主要由以下一個(gè)或多個(gè)因素引起：（1）位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的交滑移作用；（2）位錯(cuò)結(jié)構(gòu)上有細(xì)小沉淀相生成；（3）固溶元素與位錯(cuò)的相互作用。

圖 4 TiAl合金高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)曲線Fig. 4 High temperature hysteresis loops of LCF and CFI of TiAl alloy

圖 5 TiAl合金高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互循環(huán)應(yīng)力曲線Fig. 5 High temperature cyclic stress curves of LCF and CFI of TiAl alloy

2.2.3 應(yīng)力松弛分析

圖6給出了TiAl合金在不同保載時(shí)間下的疲勞-蠕變交互應(yīng)力松弛和低周疲勞應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)。因?yàn)榈椭芷趯?shí)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)曲線相對(duì)于應(yīng)變軸呈反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此其最大應(yīng)力和最小應(yīng)力近似相等，平均應(yīng)力為0 MPa左右，基本上不存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象。而對(duì)于疲勞-蠕變交互實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在最大應(yīng)變處保載產(chǎn)生了明顯的蠕變現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了應(yīng)力松弛的發(fā)生，且隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，其應(yīng)力松弛程度明顯增加[13-14]。具體來(lái)說(shuō)，保持時(shí)間為30 s、90 s、150 s和210 s時(shí)，平均應(yīng)力分別為-50 MPa，-80 MPa，-100 MPa和-120 MPa。眾多研究表明，在高溫低周疲勞載荷譜上進(jìn)行保載均會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。應(yīng)力松弛現(xiàn)象主要原因是在材料的晶界上產(chǎn)生孔洞，然后隨著高溫保載效應(yīng)的持續(xù)，這些孔洞開(kāi)始增加和聚集，最終將部分彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成非彈性應(yīng)變，從而導(dǎo)致應(yīng)力下降。另外，晶界上孔洞的聚集和增殖將導(dǎo)致明顯的蠕變變形，蠕變變形將形成明顯的應(yīng)力松弛特征，特別是這些晶界上孔洞的蠕變行為與疲勞裂紋擴(kuò)展行為相互作用進(jìn)一步提高了裂紋擴(kuò)展速率，從而降低了疲勞壽命。

圖 6 TiAl合金高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 High temperature mean stress relaxation results of LCF and CFI of TiAl alloy

2.2.4 壽命分析

表1列出了TiAl合金在750 ℃下的低周疲勞和疲勞-蠕變交互實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，最大應(yīng)力和最小應(yīng)力均取自TiAl合金的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)，疲勞壽命為試樣發(fā)生斷裂時(shí)的循環(huán)數(shù)。

圖7給出了TiAl合金的高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以低周疲勞壽命的平均值為基準(zhǔn)（假設(shè)基準(zhǔn)值為100%），疲勞-蠕變交互壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值與基準(zhǔn)值相除即可獲得疲勞-蠕變交互壽命的相對(duì)值。從圖7可以看出，所有TiAl合金的疲勞-蠕變交互壽命均小于其低周疲勞壽命。對(duì)于TiAl合金的疲勞-蠕變交互壽命來(lái)說(shuō)，隨著保載時(shí)間的增加，其疲勞-蠕變交互壽命逐漸降低；但隨著保載時(shí)間增加到一定程度時(shí)（例如150 s和210 s時(shí)），TiAl合金的疲勞-蠕變交互壽命基本趨于穩(wěn)定，但其壽命只有低周疲勞壽命的10%左右?？梢钥闯觯］d效應(yīng)對(duì)TiAl合金的疲勞壽命有較大影響，長(zhǎng)保載時(shí)間將會(huì)顯著降低TiAl合金的疲勞壽命。

表 1 TiAl合金在750 ℃下的低周疲勞和疲勞-蠕變交互實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 LCF and CFI results of TiAl alloy at 750 ℃

圖 7 TiAl合金高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig. 7 High temperature life results of LCF and CFI of TiAl alloy

傳統(tǒng)的總應(yīng)變-壽命方程[15-16]可以對(duì)材料在對(duì)稱低周疲勞下的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，但由于疲勞-蠕變交互實(shí)驗(yàn)在保載效應(yīng)的條件下發(fā)生應(yīng)力松弛，從而產(chǎn)生平均應(yīng)力。因此，需要采用能夠考慮平均應(yīng)力修正的疲勞壽命方法。一般地，基于總應(yīng)變-壽命方程的Morrow修正方法[17]可以考慮平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，Morrow修正方法如式（1）所示：

式中： Δεt， Δεe和 Δεp分別代表總應(yīng)變范圍，彈性應(yīng)變范圍和塑性應(yīng)變范圍；和b分別代表疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞強(qiáng)度指數(shù)；和c分別代表疲勞延性系數(shù)和疲勞延性指數(shù)； σm和E分別代表平均應(yīng)力和彈性模量； Nf代表疲勞壽命。

采用最小二乘優(yōu)化法[18]并基于總應(yīng)變、平均應(yīng)力和疲勞壽命等數(shù)據(jù)，對(duì)TiAl合金的高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，表2列出了Morrow修正方法的材料參數(shù)，圖8給出了Morrow修正方法預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。可以看出，Morrow修正方法可以對(duì)低周疲勞的壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)保載時(shí)間為30 s的疲勞-蠕變交互壽命預(yù)測(cè)結(jié)果也比較好，預(yù)測(cè)的壽命位于實(shí)驗(yàn)壽命的 ± 2倍分散帶以內(nèi)，但Morrow修正方法對(duì)于保載時(shí)間高于30 s的疲勞-蠕變交互壽命預(yù)測(cè)結(jié)果過(guò)于危險(xiǎn)，預(yù)測(cè)壽命達(dá)到了實(shí)驗(yàn)壽命的 +16分散帶附近，預(yù)測(cè)能力較差，不能滿足實(shí)際工程需要。

表 2 Morrow修正模型材料參數(shù)Table 2 Material parameters of Morrow modified model

圖 8 Morrow修正方法預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig. 8 Comparison between the predicted results by Morrow modified method and the tested data

2.3 高溫疲勞及疲勞-蠕變交互統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型

為了解決Morrow修正方法不能充分考慮保載時(shí)間產(chǎn)生的平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命影響的問(wèn)題，本工作提出一種考慮有效保載時(shí)間的統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型[19]，統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型如式（2）所示，

式中： Tf和 Tf-LCF分別代表了疲勞-蠕變交互壽命和低周疲勞壽命，兩者之商代表了歸一化壽命；Δt/tp代 表了有效保載時(shí)間；A，b和 n是統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型的材料參數(shù)。

同樣采用最小二乘優(yōu)化法并基于歸一化壽命和有效保載時(shí)間等數(shù)據(jù)，對(duì)TiAl合金的高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，表3列出了統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型的材料參數(shù)及相關(guān)系數(shù)。圖9為統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)的歸一化壽命與有效保載時(shí)間擬合曲線。由圖9可以看出，統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型能夠準(zhǔn)確地表征TiAl合金的高溫低周疲勞及疲勞-蠕變交互歸一化壽命與有效保載時(shí)間之間的關(guān)系，且統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型材料參數(shù)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)為0.99，計(jì)算可靠性很高。圖10給出了統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比。由圖10可以看出，統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型可以對(duì)TiAl合金的高溫低周疲勞和疲勞-蠕變交互壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的壽命基于位于實(shí)驗(yàn)壽命的 ± 1.5倍分散帶以內(nèi)。這說(shuō)明該模型能夠考慮保載時(shí)間對(duì)疲勞壽命的影響，可以采用該模型對(duì)TiAl合金零部件的高溫低周疲勞和疲勞-蠕變交互壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，從而可滿足工程實(shí)際需要。

圖 9 統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型關(guān)聯(lián)的歸一化壽命與有效保載時(shí)間擬合曲線Fig. 9 Relationship between normalized life and effective dwell time by unified life model

表 3 統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型材料參數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 3 Material parameters of unified life method

2.4 失效機(jī)理分析

圖11和圖12分別給出了TiAl合金在750 ℃條件下的低周疲勞和疲勞-蠕變交互斷口。從圖中可以看出，相比于低周疲勞，疲勞-蠕變交互斷口較為粗糙，且兩者斷裂時(shí)均沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形。TiAl合金低周疲勞和疲勞-蠕變交互裂紋均萌生于試樣表面，不同的是低周疲勞呈現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)源起裂方式，而疲勞-蠕變交互呈現(xiàn)多源線性裂紋起裂方式，圖中黑色弧線給出了疲勞源的位置和大體形狀。

圖13分別給出了TiAl合金在750 ℃條件下的低周疲勞和疲勞-蠕變交互的裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌。從圖13可以看出，裂紋疲勞條帶不是很明顯但仍然能夠觀察到，裂紋擴(kuò)展方向沿著垂直于疲勞條帶的方向向前擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展方向如圖中黑色箭頭所示。另外，可以看出，相比于低周疲勞，疲勞-蠕變交互裂紋擴(kuò)展區(qū)的氧化程度更大，這是因?yàn)楸］d效應(yīng)造成的。疲勞-蠕變交互實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在最大應(yīng)變處保持一定時(shí)間，將更加有利于斷口與高溫空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致大量的氧化物存留在裂紋擴(kuò)展區(qū)上。

圖 10 統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig. 10 Comparison between the predicted results by unified life model and the tested data

圖 11 TiAl合金低周疲勞斷口 （a）宏觀斷口；（b）疲勞源Fig. 11 SEM images of LCF of TiAl alloy （a）whole fracture；（b）fatigue crack initiation

圖 12 TiAl合金疲勞-蠕變交互斷口 （a）宏觀斷口；（b）疲勞源Fig. 12 SEM images of CFI of TiAl alloy （a）whole fracture；（b）fatigue crack initiation zone

圖14分別給出了TiAl合金在750 ℃條件下的低周疲勞和疲勞-蠕變交互的疲勞瞬斷區(qū)形貌。從圖14可以看出，TiAl合金高溫低周疲勞的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷口形貌，從而表現(xiàn)為穿晶斷裂特征，而其疲勞-蠕變交互的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出少量準(zhǔn)解理和大量韌窩混合型斷口形貌，從而表現(xiàn)為穿晶和沿晶的混合斷裂特征。這是因?yàn)橄啾扔赥iAl合金高溫低周疲勞，保載效應(yīng)產(chǎn)生的疲勞-蠕變交互作用增加了裂紋在晶界上的萌生和擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力，從而導(dǎo)致疲勞裂紋由部分穿晶斷裂方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠盅鼐嗔训幕旌戏绞剑@種混合斷裂特征將明顯減少TiAl合金在高溫條件下的疲勞壽命。

圖 13 TiAl合金裂紋擴(kuò)展區(qū) （a）低周疲勞；（b）疲勞-蠕變交互Fig. 13 SEM images of crack growth zone of TiAl alloy （a）LCF；（b）CFI

圖 14 TiAl合金疲勞瞬斷區(qū) （a）低周疲勞；（b）疲勞-蠕變交互Fig. 14 SEM images of final fracture zone of TiAl alloy （a）LCF；（b）CFI

3 結(jié)論

（1）與高溫低周疲勞相比，TiAl合金的疲勞-蠕變交互性能的應(yīng)力-應(yīng)變穩(wěn)態(tài)遲滯環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線不再呈反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，最小應(yīng)力的絕對(duì)值大于最大應(yīng)力，且隨著保載時(shí)間的增加，最小應(yīng)力的絕對(duì)值與最大應(yīng)力的差值越來(lái)越大。

（2）在初始的循環(huán)時(shí)間里，TiAl合金呈現(xiàn)出循環(huán)硬化現(xiàn)象，之后循環(huán)應(yīng)力基本保持不變達(dá)到循環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，后來(lái)出現(xiàn)了較小程度的循環(huán)軟化，而在疲勞-蠕變交互性能實(shí)驗(yàn)中，TiAl合金在初始的循環(huán)時(shí)間里即呈現(xiàn)明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象，隨后循環(huán)軟化程度有所降低直至最終斷裂。

（3）對(duì)于TiAl合金的低周疲勞實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，其平均應(yīng)力為0 MPa左右，基本上不存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象。而對(duì)于疲勞-蠕變交互實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，在最大應(yīng)變處保載產(chǎn)生了明顯的蠕變現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了應(yīng)力松弛的發(fā)生，且隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)，其應(yīng)力松弛程度明顯增加。

（4）所有TiAl合金的疲勞-蠕變交互壽命均小于其低周疲勞壽命，隨著保載時(shí)間的增加，其疲勞-蠕變交互壽命逐漸降低。但隨著保載時(shí)間增加到一定程度時(shí)，TiAl合金的疲勞-蠕變交互壽命基本趨于穩(wěn)定，其壽命只有低周疲勞壽命的10%左右。

（5）Morrow修正方法不能對(duì)TiAl合金的高溫低周疲勞和疲勞-蠕變交互壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)能力較差，而本文提出的統(tǒng)一壽命預(yù)測(cè)模型由于考慮了保載效應(yīng)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)TiAl合金的高溫低周疲勞和疲勞-蠕變交互壽命，且預(yù)測(cè)壽命位于實(shí)驗(yàn)壽命的 ± 1.5倍分散帶以內(nèi)，預(yù)測(cè)能力較高。

（6）TiAl合金低周疲勞和疲勞-蠕變交互裂紋均萌生于試樣表面，不同的是低周疲勞呈現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)源起裂方式，而疲勞-蠕變交互呈現(xiàn)多源線性裂紋起裂方式。另外，TiAl合金高溫低周疲勞的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷口形貌，從而表現(xiàn)為穿晶斷裂特征，而其疲勞-蠕變交互的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出少量準(zhǔn)解理和大量韌窩混合型斷口形貌，從而表現(xiàn)為穿晶和沿晶的混合斷裂特征。