界面缺陷對鈦合金擴(kuò)散焊接頭高周疲勞行為的影響*

鄧武警，邵 杰，陳 瑋，李志強(qiáng)，李曉華

（1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024;2. 塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024;3. 數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

擴(kuò)散焊/擴(kuò)散連接技術(shù)（Diffusion bonding, DB）是在低于材料熔點(diǎn)的溫度下，通過原子相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)接觸表面連接的一種精密固相連接技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天及核電等領(lǐng)域。擴(kuò)散焊具有多區(qū)域大面積連接、無熱影響區(qū)、無應(yīng)力，并能實(shí)現(xiàn)難熔焊材料連接等優(yōu)點(diǎn)，在重要制造領(lǐng)域?qū)π滦筒牧系倪B接及復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)件的制造具有獨(dú)特的優(yōu)勢和靈活性。同時(shí)擴(kuò)散焊技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)逐漸由原來非承力或次承力結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到主承力部件、轉(zhuǎn)動部件甚至熱端轉(zhuǎn)動部件[1–2]，抗疲勞性能成為擴(kuò)散焊結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)。雖然目前擴(kuò)散焊技術(shù)水平能夠?qū)崿F(xiàn)大面積高精度連接，但可能出現(xiàn)的擴(kuò)散焊缺陷會造成局部應(yīng)力集中，影響零件的疲勞強(qiáng)度和壽命。而目前國內(nèi)外缺乏擴(kuò)散焊缺陷對疲勞性能和損傷機(jī)理的影響規(guī)律系統(tǒng)研究，尤其是弱連接、微缺陷、內(nèi)部宏觀缺陷對結(jié)構(gòu)疲勞損傷定量研究較少。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞制造工藝過程中宏微觀內(nèi)部缺陷的疲勞性能、壽命預(yù)測、微觀斷裂機(jī)理及疲勞行為力學(xué)模型等進(jìn)行了研究[3]。Serrano-Munoz 等[3]對比了鑄造鋁合金內(nèi)部缺陷和表面缺陷材料疲勞失效，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部缺陷典型缺口形貌。Günther 等[4–9]定量研究了金屬材料含隨機(jī)內(nèi)部缺陷增材制造材料高周疲勞行為，對微小內(nèi)部缺陷微觀裂紋機(jī)理進(jìn)行了分析。Li 等[10–12]研究了非金屬氧化物夾渣缺陷對鋼鐵超高周疲勞性能研究，建立了“魚眼”萌生機(jī)制和裂紋源區(qū)微裂紋擴(kuò)展模型。Murakami 等[13–14]提出從缺陷類型、缺陷空間形態(tài)、空間位置和缺陷大小4 個(gè)維度可以定義內(nèi)部缺陷對材料疲勞性能的影響，同時(shí)提出以缺陷面積平方根作為缺陷對疲勞行為判據(jù)，而Schijve[15]提出以應(yīng)力集中系數(shù)作為缺陷對疲勞行為判據(jù)。Vincent 等[16]也提出以缺陷應(yīng)力梯度參數(shù)作為多軸應(yīng)力狀態(tài)下缺陷對疲勞行為評估準(zhǔn)則。制造缺陷對結(jié)構(gòu)疲勞損失定量研究已成為國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)課題之一。

本文對含縱向界面缺陷的Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊接頭高周疲勞性能和斷裂行為開展定量研究，采用擴(kuò)散焊工藝預(yù)制無缺陷、φ2mm 缺陷、φ4mm 缺陷、穿透型缺陷擴(kuò)散焊接頭，開展含不同缺陷形式擴(kuò)散焊接頭室溫軸向高周疲勞性能測試，分析不同缺陷形式疲勞壽命分布及微觀斷口形貌，探討界面缺陷對接頭疲勞性能及損傷模式影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)選用厚度25mm 退火態(tài)Ti-6Al-4V 合金板材，其主要化學(xué)成分如表1 所示。室溫下材料的抗拉強(qiáng)度為980MPa，延伸率為15.1%。

Ti-6Al-4V 板材表面處理后，在預(yù)先設(shè)計(jì)位置涂覆特定形狀的隔離劑，隔離劑主要由Y2O3陶瓷混合物組成，如圖1 所示；采用熔焊方法焊接板材邊界，隨后在910℃，2.0MPa 氣壓下進(jìn)行3h 擴(kuò)散連接；隨爐冷卻后采用超聲波無損測試方法對擴(kuò)散后試塊界面連接質(zhì)量進(jìn)行表征。按設(shè)計(jì)位置線切割抽取試棒，保證界面缺陷位于試棒沙漏考核段；采用精車加工和縱向拋光制備疲勞試樣，尺寸和典型截面如圖 2 所示。

按照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》對無缺陷、預(yù)制界面缺陷的擴(kuò)散焊接頭進(jìn)行軸向高周疲勞性能測試。測試在Zwick Roell Amsler 100 HFP—5100 疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載頻率100Hz，空氣環(huán)境，應(yīng)力比為R=–1，疲勞壽命超出1×107則終止試驗(yàn)。

表1 Ti–6Al–4V合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of Ti–6Al–4V alloy %

圖1 Ti–6Al–4V DB樣品Fig.1 Ti–6Al–4V DB sample

圖2 軸向疲勞試樣圖Fig.2 Fatigue sample drawing

采用升降法求得擴(kuò)散焊接頭的高周疲勞強(qiáng)度極限，在高應(yīng)力水平區(qū)采用成組試驗(yàn)法得到接頭高周疲勞S–N曲線。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照升降法進(jìn)行配對處理，由式（1）計(jì)算中值疲勞強(qiáng)度，即存活率為50%的疲勞強(qiáng)度。

式中，S50是存活率為50%的中值疲勞強(qiáng)度；n為有效試樣數(shù)量；m為應(yīng)力水平的級數(shù)；Vi為第i級應(yīng)力水平下有效的試驗(yàn)次數(shù)；Si為第i級應(yīng)力水平。

采用光學(xué)顯微鏡（Leica DMⅠ 5000M）與掃描電子顯微鏡SEM-EDS（Zeiss Supra-55）觀察界面顯微組織、缺陷形貌及斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 擴(kuò)散焊界面及預(yù)制缺陷表征

圖 3（a）、（b）分別為含φ4mm 界面缺陷、穿透型界面缺陷Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊接頭試樣焊接面超聲波無損探傷檢測圖像，其中使用探頭頻率50MHz，最小缺陷識別能力φ0.8mm。超聲波無損探傷結(jié)果表明，理論焊接面位置焊合狀況優(yōu)異，預(yù)制缺陷尺寸、形狀和空間分布與試驗(yàn)設(shè)計(jì)值吻合，這說明當(dāng)前采用Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊工藝和方法能夠?qū)崿F(xiàn)界面缺陷精確預(yù)制。

圖4（a）～（c）分別為無缺陷、φ4mm 缺陷、穿透型界面缺陷擴(kuò)散焊接頭缺陷處顯微組織與預(yù)制界面缺陷剖面微觀形貌，圖4（d）為含φ4mm 缺陷接頭缺陷處掃描電鏡下微觀形貌?？芍?，擴(kuò)散連接后鈦合金微觀組織由約95%等軸初生α 相組成，晶粒平均尺寸約為16μm，晶界間分布著β 相。非隔離劑涂覆區(qū)域（理論焊合位置）界面相互消融完全消失，達(dá)到冶金連接狀態(tài)，如圖4（a）所示。隔離劑涂覆區(qū)域，沿著試棒軸向觀察時(shí)，預(yù)制φ4mm 界面缺陷顯示為一條紡錘形細(xì)線，間隙約為50～100μm，如圖4（b）所示，因?yàn)橹苽浞椒ㄩg隙存在細(xì)微不一致，缺陷長度與設(shè)計(jì)值接近；穿透型缺陷（圖4（c））貫穿試樣中間段橫截面。界面缺陷內(nèi)部由Y2O3粉末狀隔離劑顆粒填充而成，如圖4（d）所示。

圖 3 擴(kuò)散焊后Ti–6Al–4V合金焊縫超聲波無損探傷圖像Fig.3 Ultrasonic nondestructive testing image of Ti–6Al–4V alloy after DB

圖4 擴(kuò)散連接后Ti–6Al–4V組織形貌Fig.4 Microstructure of Ti–6Al–4V after DB

2.2 界面缺陷對高周疲勞性能影響

無界面缺陷和含φ2mm 界面缺陷Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊接頭的室溫軸向拉壓高周疲勞S–N曲線（R=–1）如圖5 所示。無界面缺陷鈦合金擴(kuò)散焊接頭室溫高周疲勞極限達(dá)到410MPa。

10 根含φ2mm 界面缺陷擴(kuò)散焊接頭的軸向拉壓疲勞極限達(dá)到415MPa。可以看出，Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊焊縫具有較好的抗疲勞能力；φ2mm 界面缺陷擴(kuò)散焊接頭疲勞極限與無缺陷擴(kuò)散焊接頭接近，可以看出處于試樣中間位置的φ2mm 缺陷并未降低縱向接頭抗疲勞能力。

含穿透型界面缺陷和無預(yù)制缺陷縱向擴(kuò)散焊接頭的室溫軸向拉壓高周疲勞S–N曲線（R=–1）如圖6 所示。含穿透型界面缺陷鈦合金擴(kuò)散焊接頭疲勞極限達(dá)到315MPa，相比于無缺陷擴(kuò)散焊接頭疲勞極限下降了95MPa。由圖6 可知，S–N曲線不同應(yīng)力水平線數(shù)據(jù)點(diǎn)疲勞壽命分散度小。

含φ4mm 界面缺陷的Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊接頭應(yīng)力–疲勞壽命分布圖如圖7 所示?？芍?，含缺陷形式擴(kuò)散焊接頭（15 組）疲勞結(jié)果表明疲勞極限不收斂，含φ4mm 界面缺陷焊接接頭疲勞壽命分散性大。

梳理人物關(guān)系 薛老師先讓學(xué)生找人物，喬依是這篇《愛之鏈》小說當(dāng)中的一個(gè)主人公，這篇小說，除了喬依，還有哪些人物？學(xué)生很快找到了老婦人和女店主。薛老師接著讓學(xué)生理人物關(guān)系，學(xué)生便很快又說出了女店主是喬依的妻子。

依據(jù)疲勞裂紋源位置差別，從裂紋萌生位置與壽命的關(guān)系可將含φ4mm 缺陷擴(kuò)散焊接S–N分布圖劃分為高壽命區(qū)（Region Ⅰ）和低壽命區(qū)(Region Ⅱ)兩個(gè)區(qū)域。裂紋源位于試樣自由外表面的樣品均處于S–N分布圖的高壽命區(qū)域Region Ⅰ；而裂紋源位于內(nèi)部缺陷處的樣品均落于S–N分布圖低壽命區(qū)域(Region Ⅱ)。需要指出的是，由于缺陷邊界和試棒加工的誤差，擴(kuò)散連接缺陷并不全都位于試棒中心，部分試樣缺陷偏離中間位置。

通過含φ4mm 預(yù)制界面缺陷接頭疲勞–壽命分布圖及圖6 中無缺陷及含穿透型缺陷接頭S–N曲線對比發(fā)現(xiàn)，位于圖6 中高壽命區(qū)（Region Ⅰ）的外表面裂紋萌生接頭疲勞壽命分布及疲勞極限與無缺陷接頭接近，而位于低壽命區(qū)(Region Ⅱ)的內(nèi)部裂紋萌生接頭疲勞壽命分布趨勢與含穿透型界面缺陷接頭接近。

圖5 無缺陷與含φ2mm缺陷Ti–6Al–4V合金擴(kuò)散焊接頭S–N曲線(R=–1)Fig.5 S–N curve of Ti-6Al-4V DB joint without artificial defect and with φ2mm defect (R=–1)

圖6 無缺陷與含穿透型缺陷Ti–6Al–4V合金擴(kuò)散焊接頭S–N曲線(R=–1)Fig.6 S–N curve of Ti-6Al-4V DB joint without artificial defect and with penetrating defect (R=–1)

2.3 縱向界面缺陷對疲勞斷裂模式影響

圖8 為典型無缺陷鈦合金縱向擴(kuò)散焊接頭疲勞斷口SEM 裂紋萌生區(qū)形貌?？芍跀嗫诎ㄆ诹鸭y源區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)3 個(gè)區(qū)域，裂紋呈放射狀向周圍擴(kuò)展；在不同應(yīng)力水平交變循環(huán)載荷作用下，疲勞裂紋源主要萌生于試樣自由外表面附近，而不是內(nèi)部焊縫附近。含焊縫接頭的疲勞失效模式與典型光滑且內(nèi)部連續(xù)鈦合金材料相似，即外表面位錯(cuò)滑移堆積作用引起裂紋形核。這說明縱向擴(kuò)散焊焊縫對疲勞裂紋抵抗能力與母材相當(dāng)。

含穿透型界面缺陷鈦合金擴(kuò)散焊接頭高周疲勞斷口光學(xué)顯微鏡及裂紋萌生區(qū)SEM 形貌如圖9 所示，斷口較平整，包括疲勞裂紋源區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。由斷口形貌可清晰觀察到,疲勞斷口呈現(xiàn)類似單個(gè)“魚眼”（Fish-eye）特征裂紋源，疲勞裂紋源均萌生于亞表層內(nèi)部界面缺陷與鈦合金基體結(jié)合處，呈線狀；微裂紋在裂紋源附近以界面缺陷為中軸線向兩側(cè)擴(kuò)展形成一個(gè)色度較暗的微裂紋擴(kuò)展區(qū)。在交變循環(huán)載荷繼續(xù)作用下，裂紋進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，裂紋擴(kuò)展過程中硬質(zhì)界面缺陷填充物會起到阻礙作用。

與典型無缺陷擴(kuò)散焊接頭疲勞失效模式相比，交變循環(huán)應(yīng)力加載后，含穿透型界面缺陷的Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊接頭裂紋萌生特征存在明顯差異，疲勞損傷主要集中在亞表層的界面缺陷與基體鈦合金結(jié)合處，裂紋萌生區(qū)周圍出現(xiàn)局部塑性變形特征。由于界面缺陷內(nèi)部為層狀致密Y2O3硬質(zhì)相，它與基體鈦合金材料微觀力學(xué)和物理性能不一致。雖然室溫高周疲勞所加載的循環(huán)應(yīng)力低于宏觀屈服強(qiáng)度，但由于缺陷填充材料和基體材料微觀力學(xué)不均勻，微觀塑性變形出現(xiàn)不協(xié)調(diào)，在界面物理薄弱結(jié)合處引起疲勞損傷和累積，導(dǎo)致疲勞裂紋形成。因此填充材料微觀力學(xué)不均勻性、變形不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致含穿透型界面缺陷的擴(kuò)散焊接頭疲勞裂紋萌生在亞表層結(jié)合處的根本原因。

圖7 含φ4mm 缺陷Ti–6Al–4V合金擴(kuò)散焊接頭S–N曲線(R=–1)Fig.7 S–N curve of Ti–6Al–4V DB joint with φ4mm artificial defect(R=–1)

圖10 是含φ4mm 界面缺陷Ti-6Al-4V 合金擴(kuò)散焊接頭3 種典型高周疲勞斷口光學(xué)顯微鏡及裂紋萌生區(qū)掃描電鏡形貌，斷口具有清河流狀擴(kuò)展紋路，均包含裂紋源區(qū)、穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。但3 種典型疲勞裂紋源位置和裂紋源區(qū)形貌等卻存在較大差別，其中圖10 （a）、（b）所示樣品疲勞裂紋萌生于自由外表面（樣品位于圖7 的S–N分布圖Region Ⅰ），圖10（c）、（d）所示樣品疲勞裂紋萌生于內(nèi)部缺陷尖端處（樣品位于圖7 的S–N分布圖Region Ⅱ），圖10（e）、（f）所示樣品由于缺陷偏移中心位置疲勞裂紋萌生于內(nèi)部缺陷界面處（樣品位于圖7 的S–N分布圖Region Ⅱ）。特別說明，雖然疲勞斷口形貌可能存在差異，但本文討論疲勞失效機(jī)制時(shí)依然將后面兩種失效模式統(tǒng)一歸納成內(nèi)部缺陷裂紋萌生。

圖8 無界面缺陷Ti–6Al–4V合金擴(kuò)散焊接頭疲勞斷口形貌(R=–1)外表層裂紋源 (σmax=460MPa，Nf =835100cycles)Fig.8 Fatigue fracture morphology of Ti–6Al–4V with penetrating defect (R=–1) crack initiated from surface(σmax=460MPa，Nf =835100cycles)

圖9 含穿透型缺陷鈦合金疲勞斷口形貌(R=–1) 亞表層裂紋源(σmax=370MPa，Nf=835100cycles)Fig.9 Fatigue fracture subsurface of Ti–6Al–4V with penetrating defect (R=–1) and crack initiated from subsurface between two bonding surfaces (σmax=370MPa，Nf=835100cycles)

如圖10（c）、（d）所示，由斷口形貌可清晰觀察到疲勞裂紋萌生于界面缺陷尖端邊界，呈點(diǎn)狀，疲勞斷口呈現(xiàn)單個(gè)“魚眼”特征裂紋源；微裂紋在裂紋源向上、下兩側(cè)和右側(cè)擴(kuò)展形成了一個(gè)色度較暗的微裂紋擴(kuò)展區(qū)。在交變循環(huán)載荷繼續(xù)作用下，裂紋進(jìn)入了穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，裂紋擴(kuò)展過程中硬質(zhì)界面缺陷填充物會起到阻礙作用。

由圖7 含φ4mm 界面缺陷鈦合金擴(kuò)散焊接頭的S–N分布圖可知，本批次疲勞樣品裂紋源從自由外表面和內(nèi)部界面缺陷裂紋萌生分別占46.7%和53.3%。從概率統(tǒng)計(jì)上而言，含φ4mm 缺陷的樣品受到縱向交變循環(huán)載荷時(shí)裂紋萌生于自由外表面和內(nèi)部缺陷處概率幾乎相同。相關(guān)研究表明[15,17-19]，裂紋形核位置具有不確定性或多源型，疲勞壽命具有更多數(shù)據(jù)分散性；這也解釋了φ4mm 界面缺陷鈦合金擴(kuò)散焊接頭疲勞數(shù)據(jù)分散大，疲勞強(qiáng)度極限不收斂。

圖10 含有φ4mm缺陷Ti–6Al–4V合金疲勞斷口形貌(R=–1)Fig.10 Fatigue fracture surface of Ti–6Al–4V with φ4mm defect(R=–1)

3 結(jié)論

本文定量研究了含無缺陷、φ2mm 缺陷、φ4mm 缺陷、穿透型缺陷鈦合金縱向擴(kuò)散焊接頭高周疲勞行為，探討界面缺陷對接頭疲勞性能及損傷模式影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）無界面缺陷Ti-6Al-4V 合金縱向擴(kuò)散焊接頭室溫軸向拉壓（R=–1）高周疲勞極限達(dá)到410MPa；疲勞裂紋源均萌生于試樣外表面，擴(kuò)散焊接頭具備優(yōu)異的疲勞裂紋萌生抵抗能力。

（2）含φ2mm 界面缺陷和含穿透型界面缺陷鈦合金擴(kuò)散焊接頭拉壓高周疲勞極限分別達(dá)到415MPa、315MPa，而φ4mm 界面缺陷焊接頭疲勞極限不收斂；小尺寸界面缺陷對擴(kuò)散焊接頭疲勞強(qiáng)度影響較小，而含穿透型界面缺陷和φ4mm 界面缺陷較明顯降低了焊接接頭疲勞強(qiáng)度。

（3）含φ4mm 界面缺陷擴(kuò)散焊接頭疲勞壽命數(shù)據(jù)分散性大，這是因?yàn)橥獗砻婧蛢?nèi)部缺陷可能成為疲勞裂紋源。從外表面起裂的樣品均處于高壽命區(qū)域；而從缺陷處起裂的樣品均落于低壽命區(qū)域。

（4）含穿透型界面缺陷及部分含φ4mm 缺陷擴(kuò)散焊接頭疲勞裂紋起源于亞表層或內(nèi)部缺陷尖角處，疲勞裂紋萌生和微裂紋區(qū)出現(xiàn)單個(gè)“魚眼”特征裂紋源。