鈦合金氣瓶疲勞試驗(yàn)殼體開裂失效分析

張 海，歐陽瑞潔，張永紅，姜玉恒

(蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

0 引言

TC4鈦合金作為一種α+β型鈦合金，具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的蠕變和疲勞性能、良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天及其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[1-5]。作為某型號推進(jìn)分系統(tǒng)供氣裝置的鈦合金氣瓶，其為球形結(jié)構(gòu)，采用TC4鈦合金加工焊接而成，直徑SR625 mm，基礎(chǔ)壁厚1.3 mm。該氣瓶加工焊接成型后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)時，氣瓶內(nèi)部充3 MPa水壓，在進(jìn)行12次充放壓后，氣瓶殼體發(fā)生開裂失效，未達(dá)設(shè)計指標(biāo)疲勞次數(shù)20次的要求。

1 宏觀形貌分析

氣瓶的開裂區(qū)域宏觀形貌見圖1，氣瓶的開裂位置位于其中的一個半球母材上，裂紋中部張口較大。解剖后氣瓶宏觀形貌見圖2，裂紋長約500 mm，裂紋附近氣瓶表面呈亮灰色、無腐蝕及機(jī)械損傷痕跡；裂紋中部存在1處長約90 mm的平斷口區(qū)(對照圖1解剖前開裂位置形貌，平斷口位于裂紋中部開口最大區(qū)域)，其他區(qū)域斷面均為45°斜斷口。

圖1 爆破氣瓶的宏觀形貌

圖2 分解后斷口形貌

采用機(jī)械方法將平斷口區(qū)域分解下來進(jìn)行觀察，平斷口源區(qū)位于外表面，為線源起裂，源區(qū)及附近擴(kuò)展區(qū)略粗糙、可見反光小刻面；其他擴(kuò)展區(qū)較平坦、細(xì)膩，形貌見圖3。以上觀察結(jié)果表明，平斷口區(qū)域?yàn)槭紫乳_裂區(qū)域，斜斷口區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū)。采用游標(biāo)卡尺對首先開裂區(qū)域壁厚進(jìn)行測試，隨機(jī)測試3個點(diǎn)，壁厚分別為1.30,1.31,1.32 mm，平均壁厚1.31 mm，滿足設(shè)計要求。

圖3 斷口宏觀形貌

2 微觀形貌分析

將斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察。斷口源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)呈準(zhǔn)解理形貌，局部可見磨損形貌，終斷區(qū)呈韌窩新貌，見圖4。斷口形貌特征表明，氣瓶的開裂模式為脆性開裂[6-7]。脆性開裂區(qū)域在深度方向的深度約1 mm。

(a)斷口低倍形貌 (b)斷口源區(qū)準(zhǔn)解理+磨損形貌

對斷面不同區(qū)域分別進(jìn)行能譜分析，包括斜斷口區(qū)域(呈韌窩形貌)和準(zhǔn)解理脆性斷口區(qū)域(隨機(jī)測試3個點(diǎn))。測試結(jié)果表明，斜斷口區(qū)域成分及含量符合TC4牌號要求，脆性斷口區(qū)域Al含量比GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》要求值低，測試結(jié)果見表1。

表1 能譜成分分析

(a)人工斷口低倍形貌

在平斷口區(qū)域制備一個人工斷口進(jìn)行比對觀察，結(jié)果表明靠近外表面斷口呈準(zhǔn)解理形貌、且可見二次裂紋[8]，表明該區(qū)域材料偏脆；靠近內(nèi)表面斷口呈韌窩形貌，見圖5。人工斷口微觀形貌與裂紋斷口對應(yīng)區(qū)域微觀形貌相似。

3 金相及顯微硬度分析

在斷口源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)位置分別取樣,制備成金相試樣并進(jìn)行組織觀察和顯微硬度測試。

斷口及附近區(qū)域的組織與正常區(qū)域的組織存在明顯差異：正常區(qū)域組織為均勻的α+β雙相組織[9-10]、晶粒細(xì)?。欢鴶嗫诟浇M織也為α+β雙相組織、但組織粗大，粗大組織區(qū)域在壁厚方向深約1 mm，該區(qū)域?qū)?yīng)斷口準(zhǔn)解理區(qū)域，如圖6所示。

(a)正常區(qū)域組織形貌

對粗大組織區(qū)和正常組織區(qū)分別進(jìn)行顯微硬度測試,測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明，粗大組織異常區(qū)域的顯微硬度明顯高于組織正常區(qū)域。

表2 顯微硬度測試結(jié)果

4 機(jī)理分析

能譜分析及金相分析結(jié)果表明，氣瓶基體所用材料主要成分及組織狀態(tài)未見異常。尺寸測量結(jié)果表明，首先開裂區(qū)域壁厚約1.31 mm，符合設(shè)計壁厚要求，不是由于壁厚超差引起的失效。

氣瓶經(jīng)過12次疲勞試驗(yàn)后，在一個半球身部開裂，裂紋附近的內(nèi)外表面均呈亮灰色，未見腐蝕、機(jī)械損傷等異常痕跡。首先開裂區(qū)位于裂紋中部開裂最大區(qū)域，為平斷口，該區(qū)域外表面為裂紋起源處，其斷面呈準(zhǔn)解理形貌，部分區(qū)域可見磨損形貌；擴(kuò)展區(qū)為斜斷口，其斷面形貌由準(zhǔn)解理形貌逐步過渡為韌窩形貌。以上形貌特征表明，氣瓶的開裂模式為脆性開裂。

高、低倍組織觀察結(jié)果表明，首先開裂區(qū)域外表面存在偏析缺陷，偏析區(qū)域弧長約90 mm、寬約5 mm，在壁厚方向上最深約1.0 mm；能譜分析結(jié)果表明，偏析區(qū)域Al元素含量偏低(Al含量為5.1%，GB/T 3620.1—2016中要求Al含量為5.5%～6.5%)。偏析區(qū)域組織粗大、硬度高、脆性大[11]，造成該區(qū)域在疲勞試驗(yàn)過程中發(fā)生開裂失效。

5 結(jié)論

通過對開裂氣瓶的觀察與分析認(rèn)為，氣瓶的開裂模式為脆性開裂，開裂原因是由于氣瓶外表面局部區(qū)域存在Al偏析，偏析區(qū)域組織粗大、硬度高、脆性大，在多次充放壓(疲勞試驗(yàn))過程中，從外表面偏析區(qū)域起源、擴(kuò)展，最終發(fā)生開裂失效。