Study of the fatigue crack growth in a high Nb-containing TiAl alloy

During the last two decades, the world’s largest commercial aircraft engine manufacturers have progressively adopted titanium aluminide blades inside the last stages of the low pressure turbine. The main advantages of TiAl alloys are low density, high specific strength, good resistance to oxidation and creep. However, their use is restricted by limited ductility and low damage tolerance. This work focuses on the fatigue crack propagation of artificially induced cracks in non-standard specimens, made of a high niobium-containing alloy. The results of the FCG tests have been analyzed following the procedures prescribed by the ASTM E647 standard for the computation of fatigue crack growth rates. Quasi-static tests have been conducted to evaluate the crack closure effect via the offset compliance method. Suresh and Ritchie’s model has been applied to estimate the extent of roughness-induced crack closure. The aim has been replicating the experiments already done on the same type of specimens in a previous activity. The present thesis is structured in four chapters. The first chapter provides an overview of -TiAl alloys and characterizes their behavior under fatigue. The second chapter outlines the test method behind the experimental campaign. The third chapter presents the results and their elaboration. Finally, the last chapter summarizes the activity and draws the conclusions.

Nell’arco dell’ultimo ventennio, le più grandi aziende produttrici di motori aeronautici ad uso civile hanno adottato pale fatte da alluminuri di titanio negli ultimi stadi della turbina di bassa pressione. I vantaggi principali delle leghe TiAl sono bassa densità, alta resistenza specifica, buona resistenza all’ossidazione e al creep. Tuttavia, il loro impiego è limitato da ridotta duttilità e scarsa tolleranza ai difetti. Questo lavoro di tesi si incentra sulla propagazione a fatica di cricche indotte artificialmente in provini di geometria non standardizzata, il cui materiale è una lega di TiAl ad alto contenuto di niobio. I risultati dei test di propagazione sono stati analizzati seguendo le direttive della normativa ASTM E647 per il calcolo della velocità di crescita delle cricche. Test quasistatici sono stati condotti per valutare l’effetto di closure con il metodo della “offset compliance”. Il modello di Suresh e Ritchie è stato applicato per stimare l’entità della closure indotta da rugosità. La tesi è strutturata in quattro capitoli. Il primo capitolo restituisce una panoramica sulle leghe TiAl e ne caratterizza il comportamento a fatica. Il secondo capitolo descrive la metodologia sperimentale. Il terzo capitolo presenta i risultati dei test e la loro elaborazione. Infine, l’ultimo capitolo riassume l’attività svolta e trae le conclusioni della tesi.