Propagazione di cricche in leghe intermetalliche ad alto contenuto di niobio per pale di motori aeronautici

The aim of the present study is the definition of fatigue crack growth (FCG) resistance of a gamma-TiAl alloy with chemical composition Ti-45Al-8Nb-2Cr. Therefore four C(T) specimens, made with the EBM process (Electron Beam Melting), have been fatigue tested at room temperature with a loading ratio of 0,05 and 0,6. At first, the main mechanical properties of gamma-TiAl alloys are presented as a result of a critical analysis of the literature dealing with this subject. Particular attention is given to the FCG resistance and to the effect of niobium as an alloying element. Before running FCG tests, the microstructure of the investigated alloy has been characterized with respect to grains sizes and detected phases. The experimental work consisted in the characterization of FCG rates (Paris diagram) and in the definition of the long crack stress intensity factor range threshold, which is essential in a damage tolerant design approach. The CPCA (Compression Pre-cracking + Constant Amplitude loading) experimental method has been performed: in this procedure the applied load amplitude is increased by steps until the threshold is reached. FCG tests results have been compared with those obtained by other researchers on gamma-TiAl alloys with different chemical composition and microstructure. The broken specimens have been analyzed with SEM and optical microscope to define the crack propagation mode and the shielding mechanisms.

L’obiettivo del presente lavoro è la caratterizzazione della resistenza alla propagazione delle cricche per fatica (FCG) nella lega intermetallica gamma-TiAl di composizione chimica Ti-45Al-8Nb-2Cr. Sono quindi previste prove di fatica a rapporto di carico R = 0,05 e 0,6 a temperatura ambiente su quattro provini C(T) realizzati con il processo EBM (Electron Beam Melting). Inizialmente vengono presentate le principali caratteristiche meccaniche delle leghe gamma-TiAl, risultato di un’analisi critica della letteratura presente sull’argomento. Particolare attenzione è stata data alla resistenza FCG e all’effetto del niobio come elemento di lega. Prima di eseguire le prove FCG, la microstruttura della lega oggetto di studio è stata caratterizzata in termini di dimensione dei grani e di fasi presenti. L’attività sperimentale consiste nella caratterizzazione delle velocità di propagazione (diagramma di Paris) e nella definizione della soglia di propagazione delle cricche lunghe per fatica in termini di ΔK, la cui conoscenza è fondamentale per un approccio progettuale di tipo damage tolerant. Il metodo di prova utilizzato è il CPCA (Compression Pre-cracking + Constant Amplitude loading) che consiste nell’aumentare a step l’ampiezza del carico applicato fino a raggiungere la soglia di propagazione. I risultati delle prove sono stati confrontati con quelli ottenuti da altri ricercatori su leghe gamma-TiAl di diversa composizione chimica e microstruttura. I provini rotti sono stati analizzati al SEM e al microscopio ottico per individuare la modalità di propagazione delle cricche e i meccanismi di shielding presenti.