ZTA15鑄造鈦合金高周疲勞性能研究

張健輝，紀(jì)志軍，馮新，陳冬梅，楊國(guó)娟

ZTA15鑄造鈦合金高周疲勞性能研究

張健輝1,2,3，紀(jì)志軍1,2,3，馮新1,2,3，陳冬梅4，楊國(guó)娟5

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京航空材料研究院股份有限公司，北京 100094；3.北京市先進(jìn)鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100084；4.沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110035；5.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 110034）

研究ZTA15鑄造鈦合金的高周疲勞性能及其疲勞斷裂微觀機(jī)理。測(cè)試ZTA15鑄造鈦合金的室溫軸向拉伸高周疲勞性能，并對(duì)合金的金相組織和斷口形貌進(jìn)行觀察與分析。隨著應(yīng)力比的提高，ZTA15鑄造鈦合金的疲勞強(qiáng)度相應(yīng)提高，疲勞壽命也相應(yīng)延長(zhǎng)。應(yīng)力比為?1、0.06、0.5時(shí)，相應(yīng)ZTA15鑄造鈦合金的中值疲勞強(qiáng)度分別為341.5、512.5、643 MPa。疲勞斷口形貌顯示，疲勞裂紋多萌生于試棒的表面和次表面，裂紋萌生區(qū)呈類(lèi)解理斷裂特征。裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞輝紋、擴(kuò)展臺(tái)階和二次裂紋等典型特征。疲勞失效機(jī)理和疲勞性能差異與合金的顯微組織有一定的關(guān)系。應(yīng)力比對(duì)疲勞性能的影響主要作用于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展階段。

ZTA15鑄造鈦合金；高周疲勞性能；顯微組織；疲勞失效機(jī)理

作為一種從20世紀(jì)中葉開(kāi)始發(fā)展的新型材料，鈦合金由于具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、耐高溫、生物相容性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備、船舶軍艦、體育器材、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-2]。ZTA15鑄造鈦合金是一種重要的鈦合金，是我國(guó)參考俄羅斯的BT20JI鑄造鈦合金所研制的近α型鈦合金，其名義成分為T(mén)i–6Al–2Zr–1Mo–1V。ZTA15鑄造鈦合金具有優(yōu)異的焊接性能、熱穩(wěn)定性和鑄造工藝性能，在航空航天尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用[3-4]。

鈦合金目前的一個(gè)主要用途是用于制作航空飛行器中的承力結(jié)構(gòu)件，疲勞失效是這類(lèi)部件的典型失效方式。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，與失效有關(guān)的事故中，有80%以上是由疲勞失效引起的[5-7]。疲勞失效一般為脆性斷裂，斷裂前沒(méi)有明顯的塑性變形征兆，難以檢測(cè)與預(yù)防，一旦發(fā)生將會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果[8-9]，因此，需要對(duì)鈦合金的疲勞性能以及疲勞失效機(jī)理給予高度的重視。目前，已有許多研究人員對(duì)鈦合金的疲勞失效行為進(jìn)行了研究。焦磊等[10]對(duì)TA15鈦合金板材的疲勞性能進(jìn)行了研究，初步歸納了TA15鈦合金板材疲勞斷口形貌的典型特征。姜麗等[9]研究了ZTC4鑄造鈦合金的高周疲勞斷裂機(jī)理，獲得了ZTC4鑄造鈦合金疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展特征及微觀機(jī)制。文獻(xiàn)[11-14]分別研究了TA15、TC25、TC4ELI、TC11、TC32等變形鈦合金的低周及高周疲勞行為，重點(diǎn)分析了不同變形鈦合金內(nèi)部顯微組織同宏觀疲勞性能、疲勞斷口形貌以及微觀疲勞斷裂機(jī)制的關(guān)系。以上研究多針對(duì)TA15等變形鈦合金以及ZTC4鑄造鈦合金，而關(guān)于被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的ZTA15鑄造鈦合金的疲勞性能和疲勞失效行為則鮮有報(bào)道。隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)ZTA15鑄造鈦合金的需求逐步上升，積累ZTA15鑄造鈦合金的疲勞性能數(shù)據(jù)以及深入探究ZTA15鑄造鈦合金的疲勞失效行為對(duì)保障ZTA15鑄造鈦合金零部件的正常服役有著重要的意義。因此，文中以在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的ZTA15鑄造鈦合金為研究對(duì)象，對(duì)其疲勞性能和疲勞失效行為展開(kāi)相關(guān)研究。

文中的主要研究?jī)?nèi)容如下：一方面，測(cè)試ZTA15鑄造鈦合金在不同應(yīng)力比下的室溫拉伸疲勞性能，獲取相應(yīng)的中值疲勞強(qiáng)度和S–N曲線(xiàn)（應(yīng)力–循環(huán)周次曲線(xiàn)），積累翔實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為ZTA15鑄造鈦合金的實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持；另一方面，對(duì)ZTA15鑄造鈦合金的疲勞斷口形貌進(jìn)行觀察，研究ZTA15鑄造鈦合金在不同應(yīng)力比下高周疲勞斷裂疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)制，結(jié)合ZTA15鑄造鈦合金的顯微組織，討論ZTA15鑄造鈦合金疲勞失效的微觀機(jī)理，為后續(xù)有關(guān)ZTA15鑄造鈦合金疲勞性能及疲勞失效行為的深入研究打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用的ZTA15鑄造鈦合金母合金鑄錠由北京航空材料研究院提供，熔煉方式為真空自耗電弧熔煉，化學(xué)成分如表1所示，符合對(duì)ZTA15鑄造鈦合金的化學(xué)成分要求，ZTA15鑄造鈦合金化學(xué)成分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。試樣毛坯采用熔模精密鑄造的方式成形，使用真空自耗凝殼熔煉爐重力澆注。毛坯澆注成形后通過(guò)熱等靜壓處理消除毛坯內(nèi)部缺陷，熱等靜壓工藝參數(shù)如下：氬氣壓力不低于100 MPa，熱壓溫度為900～950 ℃，保溫2～4 h，隨爐冷卻至300 ℃以下空冷。熱等靜壓后對(duì)毛坯進(jìn)行退火處理，退火溫度為600～800 ℃，保溫1～4 h，隨爐冷卻至300 ℃以下空冷。毛坯最終狀態(tài)為熱等靜壓+退火狀態(tài)。

測(cè)試包括抗拉強(qiáng)度b、屈服強(qiáng)度0.2和伸長(zhǎng)率5在內(nèi)的ZTA15鑄造鈦合金的室溫拉伸性能，以此作為分析ZTA15鑄造鈦合金疲勞性能的輔助數(shù)據(jù)。室溫靜力拉伸試驗(yàn)依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為英斯特朗5982電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試條件為室溫（23 ℃），試樣切取自15 mm×80 mm的棒狀毛坯，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

表1 ZTA15鑄造鈦合金化學(xué)成分

Tab.1 Analysis results of chemical composition of ZTA15 cast titanium alloy wt.%

注：*總和指所有雜質(zhì)含量相加后其總和的上限值。

表2 ZTA15鑄造鈦合金化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)

Tab.2 Chemical composition standard of ZTA15 cast titanium alloy wt.%

注：*單個(gè)指單種雜質(zhì)含量上限；總和指所有雜質(zhì)含量相加后其總和的上限值。

軸向疲勞試驗(yàn)依據(jù)HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)條件為室溫（23 ℃），試樣切取自15 mm×230 mm的圓棒毛坯，加工成棒狀高周疲勞標(biāo)準(zhǔn)試樣。疲勞試驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)QBG–50B高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，測(cè)試頻率為95～ 150 Hz，采用成組法和升降法，測(cè)試當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)t=1時(shí)，不同應(yīng)力比（=?1、0.06、0.5）下ZTA15鑄造鈦合金軸向拉伸疲勞強(qiáng)度，并據(jù)此繪制S–N曲線(xiàn)。

使用LEICA DM8000 M金相顯微鏡對(duì)ZTA15鑄造鈦合金的微觀組織進(jìn)行低倍和高倍觀察。金相組織檢驗(yàn)按照GB/T 5168—2020和GB/T 6394—2017執(zhí)行。腐蝕金相所用的腐蝕液配方如下：10 mL HF+ 25 mL HNO3+65 mL H2O（處理低倍觀察用金相試樣）；5 mL HF+12 mL HNO3+83 mL H2O（處理高倍觀察用金相試樣）。

2 結(jié)果與分析

2.1 合金組織和靜拉伸性能

圖1為熱等靜壓+退火態(tài)ZTA15鑄造鈦合金的金相觀察結(jié)果。ZTA15鑄造鈦合金的金相組織以原始β晶粒為主，其晶粒尺寸為1.33 mm左右。原始β晶粒的晶界分布著較為連續(xù)的α相。晶粒內(nèi)部分布著片層狀的α相板條和β相板條，其中α相板條的寬度約為3～ 5 μm。α相板條和β相板條相互平行構(gòu)成α/β集束。晶粒內(nèi)部部分板條平行分布，部分板條則交叉分布，呈編織狀。

圖1 不同放大倍數(shù)下熱等靜壓+退火狀態(tài)ZTA15鑄造鈦合金的金相組織

測(cè)試ZTA15鑄造鈦合金室溫拉伸性能，為后續(xù)分析其疲勞性能提供參考。室溫下ZTA15鑄造鈦合金的室溫抗拉強(qiáng)度為959 MPa，室溫屈服強(qiáng)度為855 MPa，伸長(zhǎng)率為10.0%。

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

采用成組法和升降法測(cè)試ZTA15鑄造鈦合金在不同應(yīng)力比（=?1、0.06、0.5）下的室溫高周疲勞性能，將所得的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命進(jìn)行整理，通過(guò)擬合繪制了S–N曲線(xiàn)，如圖2所示，并求得各狀態(tài)下的中值疲勞強(qiáng)度D，如表3所示。在應(yīng)力集中系數(shù)一定的前提下，應(yīng)力比不同，合金的疲勞強(qiáng)度有比較明顯的差異。=?1時(shí)，試樣受對(duì)稱(chēng)恒幅循環(huán)載荷作用，疲勞強(qiáng)度較低；當(dāng)＞0即=0.06和=0.5時(shí)，試樣受拉伸平均應(yīng)力作用，疲勞強(qiáng)度明顯高于=?1時(shí)的疲勞強(qiáng)度，且應(yīng)力比越大，合金的疲勞強(qiáng)度越高。以上規(guī)律同文獻(xiàn)[15-16]所得的規(guī)律基本吻合。當(dāng)=0.5、t=1、循環(huán)周次為107時(shí)，單鑄棒狀試樣的中值疲勞強(qiáng)度為643 MPa，中值疲勞強(qiáng)度D與抗拉強(qiáng)度b的比值為0.67。

圖2 單鑄棒狀試樣的S–N曲線(xiàn)（Kt=1）

表3 單鑄棒狀試樣中值疲勞強(qiáng)度

Tab.3 Median fatigue strength of single cast rod specimen

2.3 斷口形貌觀察

當(dāng)t=1時(shí)，不同應(yīng)力比、不同最大應(yīng)力下ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸的宏觀斷口形貌見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，ZTA15鑄造鈦合金的軸向疲勞拉伸斷口主要可以分為3個(gè)部分，即裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。應(yīng)力比一定的前提下，最大應(yīng)力越高，裂紋萌生區(qū)和擴(kuò)展區(qū)所占的面積越小，瞬斷區(qū)所占的面積越大，與之對(duì)應(yīng)的合金疲勞壽命越短。當(dāng)應(yīng)力比為?1時(shí)，試棒受到的是循環(huán)加載的拉壓應(yīng)力，裂紋會(huì)受到反復(fù)擠壓摩擦，裂紋的萌生區(qū)和擴(kuò)展區(qū)也更為平坦。當(dāng)應(yīng)力比大于0時(shí)，試棒單純受到單方向的循環(huán)加載拉應(yīng)力，摩擦效應(yīng)減弱，裂紋擴(kuò)展區(qū)的起伏變得更大，擴(kuò)展區(qū)表面更加崎嶇[17]。

不同試棒疲勞斷口裂紋萌生區(qū)形貌如圖4所示。在裂紋萌生區(qū)可以觀察到明顯的小平面和解理臺(tái)階，斷面呈結(jié)晶狀，即疲勞裂紋的萌生呈現(xiàn)類(lèi)解理斷裂特征。裂紋多萌生于試棒的表面和次表面。一般情況下，疲勞裂紋易萌生于試棒的表面，這是由于試棒表面應(yīng)力較大，晶粒所受的約束少，試棒表面經(jīng)機(jī)加工處理后存在的機(jī)加工缺陷引起了應(yīng)力集中，滑移系易于開(kāi)動(dòng)，經(jīng)循環(huán)加載后在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生駐留滑移帶，誘發(fā)疲勞裂紋的萌生。此外，疲勞裂紋還容易萌生在內(nèi)部缺陷和內(nèi)部晶界處[9]。文中使用的ZTA15試棒均經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理，大部分內(nèi)部缺陷可以得到彌合，在SEM照片中也沒(méi)有觀察到氣孔、縮孔等明顯的內(nèi)部缺陷。次表面的裂紋源可能是由于循環(huán)加載后，位錯(cuò)在次表面的晶界處發(fā)生堆積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋萌生于次表面的晶界[9]。

圖3 ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸斷口宏觀形貌

圖5和圖6為ZTA15鑄造鈦合金疲勞斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的形貌，可以觀察到明顯的疲勞輝紋。疲勞輝紋是疲勞斷口的典型特征，疲勞輝紋彼此平行，一般與疲勞裂紋相垂直，每一條輝紋代表一次循環(huán)加載后疲勞裂紋向前擴(kuò)展的距離。在應(yīng)力比一定的前提下，最大應(yīng)力越高，疲勞輝紋的間距越寬，當(dāng)最大應(yīng)力由550 MPa提高至800 MPa時(shí)，疲勞輝紋的間距由1.145 μm拓寬至了1.225 μm，這代表疲勞裂紋擴(kuò)展速率更快，每加載一次循環(huán)載荷，疲勞裂紋前進(jìn)的距離更長(zhǎng)。疲勞輝紋并不只分布在同一個(gè)平面，也分布在高度不同的臺(tái)階上，各臺(tái)階上疲勞輝紋的方向不完全相同，這可能和α相與β相的相界面及晶體學(xué)取向的影響有關(guān)[9]。圖1的金相組織結(jié)果表明，ZTA15鑄造鈦合金內(nèi)部的α相與β相呈相互平行的片層并構(gòu)成集束。α相與β相晶體結(jié)構(gòu)不同，相界面處結(jié)合力較弱，因此疲勞裂紋易于在相界面薄弱區(qū)域沿與α相平行的方向擴(kuò)展，而α相中易開(kāi)動(dòng)的柱面滑移系和基面滑移系又使疲勞裂紋易于沿垂直于α相的方向擴(kuò)展。2種擴(kuò)展方式共存且發(fā)生的概率相當(dāng)，共同作用使疲勞裂紋隔幾個(gè)片層寬度便沿不同的疲勞臺(tái)階擴(kuò)展[9,18]。在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)還能觀察到二次裂紋，方向基本與疲勞輝紋的方向平行，垂直于疲勞裂紋的擴(kuò)展方向。形成二次裂紋消耗了更多的能量，使主裂紋擴(kuò)展得更為緩慢也更為曲折。初步推測(cè)，ZTA15鑄造鈦合金疲勞斷口中二次裂紋的形成同樣與晶體學(xué)取向和片層組織相關(guān)[15,19]。

圖4 ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸斷口裂紋萌生區(qū)形貌

圖5 應(yīng)力比R=0.06時(shí)ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

圖6 不同應(yīng)力下比ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌

疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展在整個(gè)疲勞失效過(guò)程中占主導(dǎo)地位，外界條件對(duì)合金疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的影響也主要源于疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展行為的差異。ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸斷口瞬斷區(qū)形貌見(jiàn)圖7。關(guān)于應(yīng)力比對(duì)鈦合金疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的影響，也有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了報(bào)道。梁超等[20]通過(guò)對(duì)熱等靜壓態(tài)Ti–6Al–4V合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行研究，認(rèn)為應(yīng)力比對(duì)合金疲勞性能的影響主要表現(xiàn)為應(yīng)力比對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和裂紋尖端塑性區(qū)塑性變形功的影響。一方面，應(yīng)力比的提高會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展時(shí)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子降低，從而降低裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，使裂紋擴(kuò)展緩慢，延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展壽命；另一方面，隨著應(yīng)力比的提高，裂紋擴(kuò)展需要克服的塑性變形功也隨之增加。二者的共同作用導(dǎo)致合金的疲勞壽命隨應(yīng)力比的增大而增加。此外，對(duì)于鈦合金的高周疲勞行為，應(yīng)力比不僅會(huì)影響疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)制，同時(shí)還會(huì)影響疲勞裂紋的萌生機(jī)制，應(yīng)力比增加，疲勞裂紋萌生將由滑移機(jī)制逐步偏向解理機(jī)制[21]。應(yīng)力比對(duì)疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展機(jī)制均會(huì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到合金最終的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。

圖7 ZTA15鑄造鈦合金軸向疲勞拉伸斷口瞬斷區(qū)形貌

在擴(kuò)展過(guò)程中疲勞裂紋擴(kuò)展速率不斷增大，達(dá)到一定閾值后試棒發(fā)生失穩(wěn)斷裂。由圖7可以看出，瞬斷區(qū)的表面一般較為粗糙，起伏較大。圖7顯示瞬斷區(qū)為穿晶斷裂與沿晶斷裂的混合形貌，可以觀察到明顯的韌窩特征。

3 結(jié)論

以ZTA15鑄造鈦合金為研究對(duì)象，針對(duì)其高周疲勞性能開(kāi)展了一系列研究與討論，測(cè)試了其在不同應(yīng)力比下的室溫軸向拉伸疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，重點(diǎn)觀察了ZTA15鑄造鈦合金的疲勞斷口，對(duì)其疲勞失效微觀機(jī)理進(jìn)行了分析，并與合金的金相組織進(jìn)行了聯(lián)系。主要結(jié)論如下。

1）應(yīng)力集中系數(shù)一定的前提下，ZTA15鑄造鈦合金在不同應(yīng)力比下的疲勞性能有較大差異。隨著應(yīng)力比的增加，合金的疲勞強(qiáng)度提高，疲勞壽命延長(zhǎng)。應(yīng)力比=?1時(shí)，合金的中值疲勞強(qiáng)度為341.5 MPa；=0.06時(shí)，中值疲勞強(qiáng)度為512.5 MPa；=0.5時(shí)，中值疲勞強(qiáng)度為643 MPa。

2）熱等靜壓+退火態(tài)的ZTA15鑄造鈦合金，其金相組織以原始β晶粒為主，晶界相為較連續(xù)的α相，晶內(nèi)相為片層狀的α相板條和β相板條。α相板條和β相板條相互平行構(gòu)成α/β集束。晶粒內(nèi)板條彼此平行或交叉分布，呈編織狀。

3）ZTA15鑄造鈦合金的室溫拉伸疲勞斷口由明顯的裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。應(yīng)力比一定的前提下，最大應(yīng)力越高，裂紋萌生區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)所占的面積越小，瞬斷區(qū)所占的面積越大。應(yīng)力比為?1時(shí)，斷口受摩擦效應(yīng)影響明顯，表面較為平坦。應(yīng)力比大于0時(shí)，斷口起伏較大。

4）從疲勞裂紋的萌生呈現(xiàn)類(lèi)解理斷裂特征，裂紋源多位于試棒的表面或次表面。位于表面的裂紋源多由試棒表面易于開(kāi)動(dòng)的駐留滑移帶反復(fù)擠出陷入產(chǎn)生。次表面的裂紋源據(jù)推測(cè)應(yīng)產(chǎn)生于位錯(cuò)在次表面晶界處的堆積。

5）從疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到清晰的疲勞輝紋，疲勞輝紋隨著最大應(yīng)力的提高而變寬。除了疲勞輝紋外，擴(kuò)展臺(tái)階和二次裂紋也是疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的典型特征。前者與晶體學(xué)取向和α相與β相的界面作用有關(guān)，后者的生成消耗了主裂紋擴(kuò)展的能量，使主裂紋擴(kuò)展變得更為緩慢和曲折。

6）不同應(yīng)力比下，合金疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的不同主要源于裂紋萌生和擴(kuò)展行為的差異。應(yīng)力比的改變會(huì)對(duì)裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子和裂紋尖端塑性區(qū)塑性變形功產(chǎn)生影響。此外，應(yīng)力比的改變同樣會(huì)影響疲勞裂紋的萌生機(jī)制。合金的疲勞失效是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是多種因素共同作用的結(jié)果，合金的疲勞性能隨外界條件的變化而變化。

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High-cycle Fatigue Properties of ZTA15 Cast Titanium Alloy

ZHANG Jian-hui1,2,3, JI Zhi-jun1,2,3, FENG Xin1,2,3, CHEN Dong-mei4, YANG Guo-juan5

(1. AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2. Baimtec Material Co., Ltd., Beijing 100094, China; 3. Beijing Engineering Research Center of Advanced Titanium Alloy Precision Forming Technology, Beijing 100084, China; 4. AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute, Shenyang 110035, China; 5. AVIC Shenyang Aircraft Company Limited, Shenyang 110034, China)

This paper aims to study the high-cycle fatigue properties and fatigue fracture mechanism of ZTA15 cast titanium alloy. The axial tensile high-cycle fatigue properties of ZTA15 cast titanium alloy under room temperature are tested, and the metallographic structures and fracture morphologies of the alloy are observed and analyzed. With the increase of stress ratio, the fatigue strength and fatigue life of ZTA15 cast titanium alloy increase. When the stress ratio is ?1, 0.06 and 0.5 respectively, the median fatigue strength of the corresponding ZTA15 cast titanium alloy is 341.5, 512.5, 643 MPa respectively. The fatigue fracture morphologies show that most of the fatigue cracks originate on the surface and sub surface of the specimen, and most of the cracks originate in the form of cleavage fracture. Obvious fatigue striations, propagation steps and secondary crack can be observed in the crack propagation. The fatigue failure mechanism and the difference of fatigue properties are related to the microstructure of the alloy. The effect of stress ratio on fatigue performance mainly acts on the initiation and propagation stages of fatigue cracks.

ZTA15 cast titanium; high-cycle fatigue properties; microstructure; fatigue failure mechanism

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.004

TG146.23

A

1674-6457(2022)06-0028-08

2022–02–20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB2008300）

張健輝（1996—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殁伜辖痂T造。

責(zé)任編輯：蔣紅晨