新型低成本鈦合金高周疲勞性能和斷裂韌度

商國(guó)強(qiáng)，王新南，費(fèi) 躍，李 軍，祝力偉，朱知壽

(北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

鈦合金作為近幾十年發(fā)展的新型輕金屬材料，具有強(qiáng)度、模量、韌性、高損傷容限和可焊接等優(yōu)良的綜合性能匹配，廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、石化等領(lǐng)域［1-7］。為了滿足新一代航空航天飛行器大量采用鈦合金來(lái)實(shí)現(xiàn)高減重、長(zhǎng)壽命和低成本的設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求，迫切需要發(fā)展具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能、低成本鈦合金，在降低飛機(jī)生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高我國(guó)鈦合金在軍機(jī)和民用領(lǐng)域的用量和應(yīng)用水平。

近期北京航空材料研究院采用低成本優(yōu)化控制和綜合高性能工藝控制等技術(shù)成功研制一種具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的航空用Ti-Al-Mo-Cr-Zr系低成本鈦合金，其設(shè)計(jì)思路是可獲得高強(qiáng)度、良好塑性、高斷裂韌性和抗疲勞等良好的綜合性能匹配，同時(shí)又兼生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。本研究主要分析新型低成本鈦合金為雙態(tài)和片層2類典型組織對(duì)拉伸性能、斷裂韌性以及高周疲勞性能的影響規(guī)律，為低成本鈦合金在新一代航空航天飛行器上的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用低成本鈦合金原材料為經(jīng)過(guò)3次真空自耗電弧熔煉制備出的合金錠，后經(jīng)開(kāi)坯、鍛造、精鍛等工序加工成φ120 mm的棒材，通過(guò)金相法測(cè)定該合金的相變點(diǎn)溫度在925℃附近。

2種組織類型通過(guò)不同的熱處理工藝獲得，其中獲得雙態(tài)組織的熱處理制度為:680℃/2h，AC;獲得片層組織的熱處理制度為:895℃/2h↗940℃ /0.5 h，AC+680℃ /2 h，AC。

疲勞試樣為光滑(Kt=1)試樣，其標(biāo)距處的凈截面尺寸為φ5 mm，其他尺寸根據(jù)GB 15248及試驗(yàn)機(jī)夾頭確定。斷裂韌度試樣為緊湊拉伸試樣，試驗(yàn)方法按GB 4161—2007執(zhí)行。合金金相試樣采用化學(xué)成分配比為1HF-2HNO3-50H2O(體積分?jǐn)?shù))的Kroll試劑腐蝕;利用JSM－5600LV型掃描電鏡對(duì)低成本鈦合金的微觀組織和疲勞斷口進(jìn)行觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織觀察

低成本鈦合金的顯微組織如圖1所示?？梢钥闯?，經(jīng)680℃/2 h，AC普通退火后，低成本鈦合金為典型雙態(tài)組織(圖1a)，顯微組織由初生α相以及在冷卻過(guò)程中從殘留β相中析出的細(xì)小短棒狀或片狀α相組成，沒(méi)有明顯的晶界產(chǎn)生。

圖1 低成本鈦合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of low cost titanium alloy

低成本鈦合金經(jīng)895℃/2 h↗940℃/0.5 h，AC+680℃/2 h，AC準(zhǔn)β退火后，形成了明顯的晶界，細(xì)片狀的次生α相從晶界以及晶內(nèi)同時(shí)析出，且析出的細(xì)片狀α相與β基體保持伯格斯位相關(guān)系［8］。這是由于合金在經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效處理過(guò)程中，α相與β相的原子排列相近并能較好的匹配，當(dāng)α相在殘留β相中析出形核時(shí)，厚度方向的長(zhǎng)大速度較慢而垂直方向的長(zhǎng)大速度較快，因而形成了細(xì)片層狀α相。

2.2 力學(xué)性能測(cè)試

新型低成本鈦合金2種組織形態(tài)下的力學(xué)性能如表1所示?？梢钥闯觯辖鹪?種組織形態(tài)下都具有良好的強(qiáng)度—塑性—韌性匹配，且具有很好的抗疲勞性能。相比而言，雙態(tài)組織具有更高的拉伸塑性以及疲勞強(qiáng)度，片層組織具有更高的抗拉強(qiáng)度以及斷裂韌性。

M Ya Brun等［9］研究表明，等軸初生 α 相的存在，增強(qiáng)了合金抗裂紋萌生的能力，初生α相體積分?jǐn)?shù)越高，越有利于鈦合金材料拉伸塑性的提高;而片層組織體積分?jǐn)?shù)的增加，增強(qiáng)了合金抗裂紋擴(kuò)展的能力，有利于鈦合金斷裂韌性的提高，這是由于合金斷裂韌性值與裂紋擴(kuò)展路徑和曲折程度有關(guān)，裂紋在片層組織中的擴(kuò)展方向的改變比在雙態(tài)組織中更頻繁，裂紋分叉形成了次生裂紋，由于α/β相界面結(jié)合能較弱，裂紋擴(kuò)展通常沿α/β相的界面進(jìn)行，當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與α/β相界面方向一致時(shí)，裂紋沿α/β相界面方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展方向與α/β相界面方向不同時(shí)，裂紋將產(chǎn)生停滯效應(yīng)或被迫改變擴(kuò)展方向，增加了裂紋擴(kuò)展的總長(zhǎng)度，從而消耗更多的能量;因此，片層組織的合金具有更高的斷裂韌性。

在鈦合金中，片狀組織和雙態(tài)組織對(duì)高周疲勞性能影響的差異是由片狀組織和雙態(tài)組織抗裂紋萌生不同所引起的，疲勞破壞過(guò)程是一個(gè)疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程，疲勞裂紋萌生后，在交變應(yīng)力的作用下，進(jìn)入微觀裂紋、繼而宏觀裂紋擴(kuò)展階段。在高周疲勞測(cè)試中，合金中抵抗位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的晶格強(qiáng)度在裂紋萌生中起著更重要的作用，晶格強(qiáng)度越高，裂紋萌生越困難。可以用材料的屈服強(qiáng)度來(lái)推斷晶格強(qiáng)度，退火狀態(tài)材料的屈服強(qiáng)度越高，疲勞強(qiáng)度越高;因此，相對(duì)于片層組織，雙態(tài)組織抗疲勞裂紋萌生的能力更強(qiáng)，具有更高的疲勞強(qiáng)度(790 MPa)。

2.3 斷口形貌分析

圖2所示為新型低成本鈦合金雙態(tài)組織斷裂韌性試樣斷口的宏微觀特征。圖2a為宏觀斷口形貌，可以看出，宏觀斷口比較光滑，說(shuō)明雙態(tài)組織裂紋擴(kuò)展和斷裂受顯微組織的影響較小。圖2b為預(yù)制裂紋區(qū)與擴(kuò)展區(qū)交界處的斷口微觀形貌，可以看出，預(yù)制裂紋區(qū)的斷口比較平整，基本上呈云朵花樣，其上分布有較細(xì)的疲勞條帶(圖2c)，而在擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征為韌窩(圖2d)，屬于典型的韌性斷裂，也是雙態(tài)組織具有較高塑性的根本原因。

表1 低成本鈦合金不同熱處理狀態(tài)下的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of low cost titanium alloy after different heat treatment

圖2 雙態(tài)組織斷裂韌性斷口形貌Fig.2 Fracture micrographs of fracture toughness in bi-modal structure

圖3所示為新型低成本鈦合金片層組織斷裂韌性試樣斷口的宏微觀特征。圖3a為宏觀斷口形貌，相對(duì)于雙態(tài)組織，片層組織的宏觀斷口較為粗糙，粗糙的斷口增加了裂紋擴(kuò)展路徑的曲折性，使得裂紋擴(kuò)展過(guò)程中可吸收更多的能量，有利于提高斷裂韌性。圖3b為預(yù)制裂紋區(qū)與擴(kuò)展區(qū)交界處的斷口微觀形貌，片層組織在交界處的斷口特征無(wú)明顯區(qū)別，可見(jiàn)較多的撕裂棱線，此時(shí)裂紋擴(kuò)展和斷裂對(duì)顯微組織比較敏感，在預(yù)制裂紋區(qū)斷口特征為微區(qū)小刻面和撕裂棱線，可見(jiàn)較寬的疲勞條帶和深的二次裂紋(圖3c)，有利于提高疲勞裂紋擴(kuò)展抗力，使得片層組織具有較高的斷裂韌性;而在擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌特征為淺型撕裂韌窩(圖3d)，韌性斷裂作用機(jī)制減弱，也是片層組織塑性低于雙態(tài)組織的原因。

圖3 片層組織斷裂韌性斷口形貌Fig.3 Fracture micrographs of fracture toughness in lamellar structure

圖4 雙態(tài)組織高周疲勞斷口形貌Fig.4 Fracture micrographs of high-cycle fatigue in bi-modal structure

新型低成本鈦合金雙態(tài)組織高周疲勞斷口形貌如圖4所示。從宏觀斷口形貌(圖4a)可以看出，其為單一疲勞源，靠近源區(qū)可見(jiàn)放射棱線，遠(yuǎn)離源區(qū)可見(jiàn)弧形擴(kuò)展棱線，瞬斷區(qū)區(qū)呈月牙形環(huán)繞斷口兩側(cè)。而斷口微觀形貌可以顯示出，裂紋起源于表面(圖4b)，在擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)放射型的擴(kuò)展棱線，靠近疲勞源區(qū)域可見(jiàn)細(xì)密的疲勞條帶，遠(yuǎn)離區(qū)域主要為等軸韌窩特征，條帶不明顯(圖4c)，瞬斷區(qū)可見(jiàn)淺型撕裂韌窩特征(圖4d)。

新型低成本鈦合金片層組織高周疲勞斷口形貌如圖5所示。從宏觀斷口形貌(圖5a)可以看出，其為單一疲勞源，疲勞區(qū)可見(jiàn)放射棱線，瞬斷區(qū)呈上弦月形，整個(gè)斷面可見(jiàn)大晶粒的原始形貌。與雙態(tài)組織高周斷口形貌相似，其裂紋同樣起源于表面(圖5b)，在擴(kuò)展區(qū)可觀察到微區(qū)臺(tái)階，使得裂紋沿不同位向擴(kuò)展而呈現(xiàn)出一定的河流花樣，并可見(jiàn)較多的疲勞條帶和二次裂紋 (圖5c)，瞬斷區(qū)可見(jiàn)大晶粒的輪廓，放大后可見(jiàn)撕裂韌窩特征(圖5d)。

圖5 片層組織高周疲勞斷口形貌Fig.5 Fracture micrographs of high-cycle fatigue in lamellar structure

3 結(jié)論

1)新型低成本鈦合金在雙態(tài)組織和片層組織下都具有良好的強(qiáng)塑性匹配，相比較而言，片層組織具有更高的抗拉強(qiáng)度，雙態(tài)組織具有更好的拉伸塑性;

2)片層組織由于在β轉(zhuǎn)變組織中析出了大量的片層次生α相，因而其裂紋在片層組織中的擴(kuò)展方向的改變比在雙態(tài)組織中更頻繁，增強(qiáng)了合金抗裂紋擴(kuò)展的能力，吸收更多的能量，獲得了更高的斷裂韌度(119.24 MPa·m1/2);

3)雙態(tài)組織具有更高的屈服強(qiáng)度，抗疲勞裂紋萌生的能力更強(qiáng)，具有更高的疲勞強(qiáng)度(790 MPa)。

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