富氧α層對鈦合金直角接頭開裂的影響

陳 星，董志國，姜 濤，劉含洋

(1.北京航空材料研究院，中國航空工業(yè)集團公司失效分析中心，試金石檢測科技有限公司，北京 100095;2.中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015)

0 引言

鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的抗腐蝕能力，在航空發(fā)動機上運用廣泛。目前，先進(jìn)發(fā)動機壓氣機盤、壓氣機葉片和風(fēng)扇葉片以及機匣等關(guān)鍵部位均由鈦合金制造。鈦合金具有較強的缺陷敏感性，因而成為制約鈦合金零件的合格率和工作可靠性的重要因素［1］;因此，對鈦合金熱熔煉工藝缺陷導(dǎo)致故障進(jìn)行深入研究更顯必要。

某液壓系統(tǒng)進(jìn)行地面開車試驗約2 h時，發(fā)現(xiàn)鈦合金管接頭噴油現(xiàn)象(該接頭材料牌號為TC6M，主要制造工序為:鍛造→熱處理→機加→表面陽極化→裝配)。后更換另一件直角接頭繼續(xù)工作約3 h在同樣位置也發(fā)生開裂噴油現(xiàn)象。對其中一件直角接頭進(jìn)行斷口宏、微觀觀察，對接頭進(jìn)行金相組織和硬度檢查，以確定接頭的開裂性質(zhì)和原因，為后續(xù)的試驗提供可靠的數(shù)據(jù)。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

裂紋位于接頭直角轉(zhuǎn)彎處，裂紋總長度約15mm(圖1)。將斷口人為打開，源區(qū)位于構(gòu)件最薄處，在體式鏡下觀察，該斷口呈線源，源區(qū)可見金光閃閃的小刻面特征，厚度約0.1mm(圖2)。斷口擴展區(qū)為明顯的疲勞弧線特征，且疲勞區(qū)已穿透接頭的厚度。對斷面顏色進(jìn)行觀察，在明顯疲勞弧線處斷面呈深藍(lán)色+紫色，且從該角向遠(yuǎn)處顏色逐漸變淺;從源區(qū)到接頭厚度方向之間的區(qū)域內(nèi)呈黃色;擴展后期的斷面呈灰色。

1.2 斷口微觀觀察

將接頭斷口經(jīng)超聲波清洗后置于掃描電鏡進(jìn)行觀察，接頭呈線源，在源區(qū)可見距離外表面厚度約0.1mm的呈解理開裂形貌，低高倍形貌分別見圖3和圖4，對源區(qū)進(jìn)行能譜分析，可知該區(qū)域除了基體元素外，還含有11.61%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的O元素。源區(qū)側(cè)表面未見明顯的損傷痕跡。在裂紋擴展過程中，可見明顯的疲勞弧線(圖5)，在疲勞弧線間還可見明顯的疲勞條帶形貌(圖6)，能譜分析表明該區(qū)域O元素含量較少。對疲勞弧線靠近表面區(qū)域處的深藍(lán)色+紫色區(qū)域進(jìn)行能譜分析，可知該區(qū)域的O元素含量更高，達(dá)到了17.64%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。所測能譜分析結(jié)果見表1。

1.3 金相檢查

在接頭源區(qū)附近和離源區(qū)較遠(yuǎn)處分別截取金相試樣，磨制拋光、腐蝕后進(jìn)行金相組織觀察。源區(qū)附近表面可見厚度約0.1mm的富氧α層，并且α相約占富氧層的70%(圖7)。離源區(qū)較遠(yuǎn)處金相也可見明顯的富氧α層，其中α相約占富氧層的60%(圖8)。在富氧α層多處區(qū)域分布著約50 μm深的裂紋(圖9)。對該裂紋尖端處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明未見陽極化溶液元素(P、N元素);因此，可推斷該細(xì)小裂紋可能產(chǎn)生于陽極化之后?；w組織為正常的雙態(tài)組織(圖10)。

1.4 硬度測試

在接頭斷口附近截取硬度試樣，磨制拋光后進(jìn)行維氏硬度測試，對接頭距外表面不同深度硬度測試結(jié)果見表2。由表2可作曲線見圖11，接頭的基體硬度值約為377.3 HV。朱知壽等［2］的研究表明，以表面硬度與基體硬度兩者HV相差20 HV為判斷富氧α層的依據(jù);因此，按氧化層厚度判斷方法，該接頭的富氧層厚度已經(jīng)大于0.15mm。

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of energy spectrum analysis(mass fraction/%)

表2 接頭距外表面不同深度硬度測試結(jié)果(HV100)Table 2 Hardness testing results near the outside surface(HV100)

2 分析與討論

由接頭斷口宏、微觀觀察結(jié)果可知，接頭斷口可見明顯的疲勞弧線和疲勞條帶，推斷該接頭的開裂性質(zhì)為疲勞開裂。其中斷面上各個區(qū)域的顏色分界較明顯，分析認(rèn)為接頭開裂后，在高頻振動的作用下，兩斷口發(fā)生了不同程度的摩擦和氧化而形成的。

由直角接頭斷口分析和金相觀察結(jié)果可知，接頭的源區(qū)均可見厚度約0.1mm的富氧α層，遠(yuǎn)離源區(qū)處也可見厚度約0.05mm的富氧α層。由硬度測試結(jié)果，可知該富氧α層的硬度較基體均高出較多，對圖11分析可知，以表面硬度與基體硬度相差20 HV作為判斷富氧α層的依據(jù)［2］，本次故障的直角接頭的富氧α層厚度應(yīng)大于0.15mm。將直角接頭表面富氧α層人為打開后，斷口形貌與圖4相同，由此說明含有富氧α層的鈦合金即使發(fā)生疲勞斷裂，在表面富氧α層源區(qū)處也呈過載斷裂特征，形成該形貌與富氧α層處硬度值大大高出基體值有關(guān)。

對一般的鈦合金生產(chǎn)過程而言，氧元素除了在接頭表面形成氧化層外，還向基體中擴散形成脆性富氧層，從而影響合金力學(xué)性能。一般富氧層可分為3層，最表層為氧化皮層，第2層為所含α相含量大于基體α相含量區(qū)域，第3層為表面硬度與基體硬度相差20 HV作為分界層。研究表明，對一般的鈦合金來說，在500℃左右加熱，鈦合金表面會形成0.01mm以下的氧化膜，氧化膜的主要成分為TiO，在450～600℃下，保溫15～120 min的熱處理過程中，富氧α層形成速度較慢，富氧α層深度隨熱處理保溫時間的延長變化不大;在700℃以后，富氧α層深度才有較大的變化。在900～1000℃以上氧化，富氧α層深度可達(dá)到0.1mm以上，而且在表面可以觀察到TiO2氧化皮。隨著氧化溫度的升高和時間的延長，富氧層厚度增加［2－6］。富氧α層的存在對構(gòu)件的疲勞性能會產(chǎn)生較大的影響，大大減小構(gòu)件的萌生壽命［7］。

從受力情況進(jìn)行分析可知，斷口呈線源，且斷面均可見明顯的疲勞弧線特征，說明該位置承受了較大的應(yīng)力。通過斷口分析可知，整個斷口可見明顯的疲勞弧線+疲勞條帶形貌，每一條疲勞弧線對應(yīng)于一次大的沖擊載荷產(chǎn)生的特征，而小的疲勞條帶對應(yīng)于小載荷留下的痕跡［1］;因此，本次接頭開裂應(yīng)該經(jīng)歷了正常的油壓沖擊的基礎(chǔ)上還疊加了較大的沖擊載荷。產(chǎn)生較大的應(yīng)力可能有以下幾個方面原因:1)接頭斷裂位置處于直角的交接處，為應(yīng)力集中區(qū)域，且設(shè)計裕度較小，為接頭的斷裂提供了結(jié)構(gòu)應(yīng)力。鍛件成型之后進(jìn)行酸洗、噴砂、陽極化處理等工序，由于裂紋處于鍛件凹面區(qū)域，噴砂工藝未能完全處理干凈表面污染，使得該處存在污染較嚴(yán)重區(qū)域，加速了接頭的開裂。2)若接頭裝配應(yīng)力過緊，致使接頭不僅承受管內(nèi)的油壓，還要承受裝配應(yīng)力，對裂紋的擴展有較大影響。3)當(dāng)飛機進(jìn)行起飛或停車等各種動作時，油壓的供給量瞬間增大或減小，對油管和接頭的整體激烈振動提供動力，若該振動與發(fā)動機系統(tǒng)本身的振動達(dá)到平衡并形成共振時，接頭的受力將急劇增大，特別是對富氧α層較厚的接頭產(chǎn)生的影響更大。4)機械加工的振動過大也會促使硬度較高的富氧α層開裂，但從裂紋斷口的能譜分析未見明顯的陽極化元素，推斷裂紋產(chǎn)生于陽極化之后，機械加工的殘余應(yīng)力對裂紋的產(chǎn)生有一定的影響，但影響相對較小，并在后續(xù)的階段發(fā)生疲勞開裂。

3 結(jié)論

1)直角接頭的開裂性質(zhì)為疲勞開裂，開裂原因與接頭承受的大應(yīng)力和源區(qū)較厚的富氧α層有關(guān);

2)鑒于該接頭受力較大，建議在徹底去除富氧α層的前提下，適當(dāng)增加設(shè)計裕度。

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