TC11鈦合金液體噴丸疲勞性能研究

田　宇　王麗艷　李明君　趙龍飛(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

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TC11鈦合金液體噴丸疲勞性能研究

田宇王麗艷李明君趙龍飛
(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

摘要:對(duì)TC11鈦合金進(jìn)行了不同液體噴丸工藝試驗(yàn)，分別應(yīng)用三點(diǎn)彎曲高頻疲勞試驗(yàn)和X射線應(yīng)力分析系統(tǒng)測(cè)試了材料的疲勞性能及表面殘余應(yīng)力分布，研究了不同噴丸工藝對(duì)疲勞性能和表面殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，一定范圍內(nèi)，噴丸壓力越大，表面殘余應(yīng)力越高，疲勞極限越高。但噴丸壓力增加到一定限度時(shí)，疲勞強(qiáng)度下降。噴丸飽和時(shí)間及噴丸角度對(duì)表面殘余應(yīng)力和疲勞極限影響較小。

關(guān)鍵詞:TC11;液體噴丸;疲勞性能

TC11是一種Ti-Al-Mo-Zr-Si系馬氏體α+β型兩相鈦合金，在500℃以下具有較高強(qiáng)度和良好的抗腐蝕能力，因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。通過噴丸強(qiáng)化引入有利的殘余應(yīng)力分布是提高TC11抗疲勞性能和微動(dòng)疲勞抗力的公認(rèn)方法。近年來，許多鈦合金材料在應(yīng)用中均采用了噴丸強(qiáng)化工藝。高玉魁［2］研究了噴丸對(duì)TC4合金微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。陳國清等人［3］采用陶瓷液體噴丸的方法提高了Ti-6Al-4V的疲勞強(qiáng)度，并有效降低了試樣的表面粗糙度。王欣等人［4］采用陶瓷噴丸在Ti60合金表面獲得較小的表面粗糙度和較大的殘余壓應(yīng)力，并使其疲勞性能提高了4倍。

本文對(duì)TC11三點(diǎn)彎曲疲勞試樣進(jìn)行液體噴丸，研究不同噴丸工藝對(duì)TC11疲勞強(qiáng)度以及表面殘余應(yīng)力的影響。

1　 TC-11　材料及試驗(yàn)方法

1．1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用TC11的化學(xué)成分為:鋁6．28%，鉬3．26%，鋯1．60%，硅0．02%。熱處理工藝選用960℃固溶30 min后空冷，530℃固溶6 h后空冷。其力學(xué)性能為: Rp0．2=1 011 MPa，Rm=1 105 MPa，A =15%，Z =39%。

1．2噴丸試驗(yàn)

噴丸試驗(yàn)采用液體噴丸機(jī)，噴丸丸粒為直徑1 mm的鑄鋼丸。在對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣噴丸之前，先用Almen試樣對(duì)每種噴丸工藝的飽和度進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)在T與2T之間時(shí)，弧高的增加量不超過10%即為飽和。飽和度曲線如圖1所示。不同噴丸參數(shù)下的飽和度時(shí)間T略有不同，在20 min～40 min之間。本試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)不同噴丸壓力、噴丸角度、噴丸時(shí)間的5種工藝方案(見表1)，研究

圖1　飽和度曲線Figure 1　 Saturation curve

表1　TC11材料噴丸工藝方案Table1 Shot blasting processes of TC11

不同噴丸工藝對(duì)TC11高周疲勞性能的影響。

不同噴丸工藝對(duì)試樣表面形貌及粗糙度均有影響。圖2為不同壓力下噴丸試樣的表面形貌。未噴丸表面可以看到清晰的磨削痕跡。噴丸壓力為0．1 MPa時(shí)，噴丸表面基本看不到磨削痕跡，表面均勻分布有細(xì)小點(diǎn)狀“小坑”。噴丸壓力為0．3 MPa時(shí)，表面噴丸痕跡更加明顯，肉眼已看不到磨削痕跡。當(dāng)噴丸壓力達(dá)到0．4 MPa時(shí)，噴丸形成的“小坑”更深，表面粗糙度明顯增加。

1．3三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)

疲勞試樣形狀為長條板狀，在試樣表面進(jìn)行噴丸處理，采用三點(diǎn)彎曲加載方式對(duì)試樣進(jìn)行疲勞加載。試樣如圖3所示，載荷比為0．1。本試驗(yàn)使用長春浩園試驗(yàn)機(jī)廠HQY—300KN高頻振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，加載頻率為55 Hz。通過未噴丸鈦合金及不同噴丸工藝的鈦合金三點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行疲

圖2　不同噴丸壓力下試樣的表面形貌Figure 2　Surface appearance of sample with different shot blasting pressure

圖3　三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)試樣圖Figure 3　 Sketch of three-point bending fatigue specimens

勞試驗(yàn)，繪制疲勞曲線并測(cè)定其疲勞強(qiáng)度，分析不同噴丸工藝對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。

1．4殘余應(yīng)力測(cè)量

使用PROTO公司IXRD MG40型X射線應(yīng)力分析系統(tǒng)對(duì)噴丸后的試樣進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，此設(shè)備根據(jù)同傾法測(cè)試原理，選用Cu靶激發(fā)，電壓20 kV，電流0．5 A，衍射鏡面為( 213)，測(cè)試位置為三點(diǎn)彎曲疲勞試樣噴丸表面中點(diǎn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

不同噴丸工藝的試樣表面的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見圖4。未噴丸情況下，殘余應(yīng)力較小，殘余壓應(yīng)力為51 MPa。0．1 MPa噴丸時(shí)，殘余壓應(yīng)力升高至465 MPa。而0．3 MPa、0．4 MPa噴丸后，殘余應(yīng)力分別增加了80 MPa和110 MPa，說明增加噴丸壓力有助于提高噴丸表面的殘余壓應(yīng)力。當(dāng)采用0．1 MPa-2T噴丸工藝時(shí)，發(fā)現(xiàn)殘余壓應(yīng)力值提高了不足20 MPa。噴丸角度為45°時(shí)的殘余壓應(yīng)力比垂直噴丸時(shí)略有下降，降幅約10 MPa。這說明噴丸時(shí)間和噴丸角度對(duì)殘余壓應(yīng)力有一定的提高作用，但作用有限。

圖4　不同噴丸工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響Figure 4　 The influence of different shot blasting processes on surface residual stress

2．2疲勞試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過0．1 MPa噴丸處理后的TC11比未經(jīng)過表面噴丸處理的TC11疲勞極限大幅度提升，如圖5所示。疲勞強(qiáng)度由原來的360 MPa提高到490 MPa，提高了36%，說明表面噴丸工藝的確能提高TC11的疲勞極限。高玉魁［5］研究發(fā)現(xiàn)噴丸后TC21的疲勞強(qiáng)度由420 MPa上升到550 MPa，提高了30%，在相同應(yīng)力下其疲勞壽命普遍提高了5至10倍。在TC11的疲勞試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)相似的情況，相同應(yīng)力下的疲勞壽命甚至相差近100倍。

圖5　0．1 MPa噴丸壓力對(duì)疲勞極限的影響Figure 5　 The influence of 0．1 MPa shot blasting pressure on fatigue limit

圖6　不同噴丸壓力對(duì)疲勞極限的影響Figure 6　 The influence of different shot blasting pressure on fatigue limit

圖7　不同噴丸角度和噴丸時(shí)間對(duì)疲勞極限的影響Figure 7　 The influence of different shot blasting time and incident angle on fatigue limit

從圖6可以看出，不同噴丸壓力對(duì)TC11疲勞極限的提升作用不同，0．3 MPa時(shí)疲勞極限最高，0．1 MPa時(shí)次之，0．4 MPa時(shí)較差。隨著噴丸壓力的提高，疲勞強(qiáng)度并沒有逐漸增加。噴丸壓力為0．3 MPa時(shí)，疲勞強(qiáng)度最高。當(dāng)噴丸壓力提高到0．4 MPa時(shí)，疲勞強(qiáng)度卻出現(xiàn)明顯的下降，這是由于噴丸壓力過大會(huì)使噴丸表面出現(xiàn)微裂紋，從而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低，即產(chǎn)生了過噴效應(yīng)。

從圖7可以看出，經(jīng)過0．1 MPa噴丸處理后的TC11與經(jīng)過0．1 MPa-2T處理后的TC11疲勞極限相差不大，說明在噴丸壓力相同的情況下，噴丸2T時(shí)間并不能提高TC11的疲勞極限。經(jīng)過0．1 MPa-45°-2T噴丸處理后的TC11相比于0．1 MPa-2T噴丸處理后的TC11疲勞極限也沒有明顯變化，說明噴丸角度對(duì)疲勞極限影響不大，45°入射并沒有明顯降低葉片的疲勞強(qiáng)度。

3　結(jié)論

( 1)經(jīng)過噴丸強(qiáng)化后試樣的疲勞極限提高了30%以上，說明噴丸增強(qiáng)了TC11的疲勞性能。試樣的表面形貌也發(fā)生變化，噴丸痕跡覆蓋掉了試樣表面的磨削痕跡，且在一定范圍內(nèi)，噴丸壓力越大，覆蓋效果越好。

( 2)噴丸壓力的大小對(duì)疲勞極限影響較大。在一定范圍內(nèi)，噴丸壓力越大，疲勞極限越高。但當(dāng)噴丸壓力提高到一定限度時(shí)，疲勞強(qiáng)度下降。噴丸時(shí)間對(duì)疲勞極限影響甚微。噴丸角度對(duì)疲勞極限影響較小。

( 3)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，噴丸壓力對(duì)試樣殘余應(yīng)力起決定因素，噴丸壓力越大，殘余壓應(yīng)力越高。噴丸角度與噴丸時(shí)間對(duì)TC11試樣殘余壓應(yīng)力影響相對(duì)較小。

( 4)本文只對(duì)試樣噴丸表面進(jìn)行測(cè)試，未進(jìn)行噴丸深度方向考量。因此，沿深度方向，噴丸工藝對(duì)殘余應(yīng)力的影響有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

［1］王金惠，夏長清，陳永勤，等．熱處理工藝對(duì)TC11鈦合金組織與性能的影響［J］．金屬熱處理，2010，36( 1) : 81－85．

［2］高玉魁．噴丸強(qiáng)化對(duì)TC4鈦合金組織結(jié)構(gòu)的影響［J］．稀有金屬材料與工程，2010，39( 9) : 1536－1539．

［3］陳國清，田唐永，張新華，等．Ti－6Al－4V鈦合金陶瓷濕噴丸表面強(qiáng)化微觀組織與疲勞性能［J］．中國有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23( 1) : 122－127．

［4］王欣，蔡建明，王強(qiáng)，等．噴丸表面覆蓋率對(duì)Ti60高濕鈦合金疲勞性能的影響［J］．中國表面工程，2011，24( 5) : 58－63．

［5］高玉魁．噴丸強(qiáng)化對(duì)TC21高強(qiáng)度鈦合金疲勞性能的影響［J］．金屬熱處理，2010，35( 8) : 30－32．

編輯杜青泉

Research on Fatigue Property of Liquid Shot Blasting Treated TC11 Titanium Alloy

Tian Yu，Wang Liyan，Li Mingjun，Zhao Longfei

Abstract:By performing different liquid shot blasting process on TC11 titanium alloy，the fatigue property and the distribution of surface residual stress have been obtained by means of the three-point bending high frequency fatigue test and the X-ray stress analysis system．Meanwhile，the influence of different shot blasting process on fatigue property and surface residual stress has been studied．It turned out that within certain limits，the pressure of shot blasting process was greater，the surface residual stress was greater and the fatigue limit was greater．But when the pressure of shot blasting process increased to a certain limit，the fatigue strength decreased．The influence of saturation time and incident angle of shot blasting process on surface residual stress and fatigue limit was lesser．

Key words:TC11; liquid shot blasting; fatigue property

收稿日期:2015—05—11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號(hào):TG146．2+3