化學(xué)鍍鎳次數(shù)對(duì)TC2鈦合金疲勞性能影響

晁耀杰，劉吉飛，巨敏，周元彪，鄒陽，楊超，王瓊，張起富，張季童

化學(xué)鍍鎳次數(shù)對(duì)TC2鈦合金疲勞性能影響

晁耀杰*，劉吉飛，巨敏，周元彪，鄒陽，楊超，王瓊，張起富，張季童

（大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司，遼寧 大連 116038）

為研究化學(xué)鍍鎳次數(shù)對(duì)鈦合金疲勞性能的影響，選取TC2鈦合金作為代表材料，采用疲勞試驗(yàn)機(jī)和掃描電子顯微鏡對(duì)其空白試樣與3次和5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞壽命和疲勞斷口形貌進(jìn)行了測(cè)試分析。旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)越多，TC2試樣在高載荷條件下的疲勞壽命越低；疲勞載荷越低，化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)對(duì)TC2的疲勞壽命影響越??；當(dāng)疲勞載荷接近疲勞極限時(shí)，5次以內(nèi)的化學(xué)鍍鎳次數(shù)對(duì)疲勞極限數(shù)值無影響。疲勞斷口觀察結(jié)果表明：隨著鍍鎳次數(shù)的增多，疲勞斷口的疲勞源數(shù)量增多，疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)形貌無差別。

化學(xué)鍍鎳次數(shù)；TC2鈦合金；疲勞性能；影響

為了適應(yīng)未來戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)機(jī)動(dòng)性和靈活性的要求，航空裝備輕量化已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，鈦合金作為一種有色金屬，因其具備強(qiáng)度高、密度小等優(yōu)點(diǎn)在航空零部件的制造中得到了廣泛應(yīng)用［1-3］。由于鈦合金的耐磨性和耐腐蝕性存在不足［4-5］，為提高鈦合金零件的使用壽命，一般采用化學(xué)鍍鎳的方式進(jìn)行防護(hù)。在航空裝備的長(zhǎng)期服役過程中，鈦合金零件的化學(xué)鍍鎳層難免會(huì)發(fā)生磨損，按照飛機(jī)大修技術(shù)要求，需要對(duì)此類零件開展化學(xué)鍍鎳返修。鈦合金化學(xué)鍍鎳受行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限制“只允許返修兩次”，導(dǎo)致飛機(jī)大修中大量需要多次（兩次以上）化學(xué)鍍鎳的鈦合金返修零件因受鍍鎳次數(shù)限制而報(bào)廢，考慮到航空鈦合金零件價(jià)格昂貴，因此帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失。

隨著化學(xué)鍍鎳表面處理技術(shù)的不斷發(fā)展，“只允許返修兩次”的規(guī)定已經(jīng)成為限制航空裝備大修中鈦合金零件修理的瓶頸問題，同時(shí)考慮到航空裝備中鈦合金零件對(duì)疲勞性能的要求［6-8］，因此有必要開展化學(xué)鍍鎳次數(shù)對(duì)鈦合金疲勞性能影響的相關(guān)研究。

目前國(guó)內(nèi)外發(fā)表的鈦合金化學(xué)鍍鎳案例大多針對(duì)一次鍍鎳的前處理工藝、工藝方法及其性能等方面的研究［9-12］，在鈦合金多次化學(xué)鍍鎳后疲勞性能方面的研究尚存在不足。本研究選取典型航空鈦合金材料TC2作為研究對(duì)象，從疲勞壽命測(cè)試和疲勞斷口形貌觀察兩個(gè)角度開展了化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)對(duì)其疲勞性能的影響。

1　試驗(yàn)方法

本文采用的研究對(duì)象為等溫退火狀態(tài)的TC2鈦合金材料，其主要合金成分如表1所示。為了研究化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)對(duì)TC2鈦合金鍍層與基體性能的影響，依據(jù)HB 5071-2004 《化學(xué)鍍鎳及工藝質(zhì)量檢驗(yàn)》，在返修過程中每增加一次化學(xué)鍍鎳前均需增加退鍍、除氫過程，化學(xué)鍍鎳的工藝流程為：除油→吹砂→活化→氫化→化學(xué)鍍鎳→熱處理→除氫（消除應(yīng)力）退火，其中熱處理溫度為310 ℃±10 ℃，時(shí)間約1.5小時(shí)，除氫退火溫度為700 ℃±10 ℃，時(shí)間為3小時(shí)。本文選取3次、5次和6次化學(xué)鍍鎳返修試樣，開展了TC2鈦合金鍍層與基體性能的影響。

參考HB 5152-96《金屬室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)制作如圖1所示的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，按照升降法采用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)空白及化學(xué)鍍鎳返修試樣進(jìn)行疲勞壽命測(cè)定，并繪制-曲線。參考鐘群鵬院士的《斷口學(xué)》［13］開展疲勞斷口形貌的觀察與分析工作，疲勞斷口試樣的實(shí)物如圖2所示。

圖1　旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣

圖2　疲勞斷口試樣

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能

按照升降法對(duì)空白和鍍鎳返修試樣（3次、5次）開展疲勞壽命測(cè)試，加載參數(shù)如圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）所示。將疲勞試驗(yàn)機(jī)得到的疲勞壽命數(shù)據(jù)通過Origin軟件擬合成如圖4所示曲線。由于第六次化學(xué)鍍鎳返修試樣在退鍍過程中的尺寸損失過大，疲勞試驗(yàn)機(jī)無法加載，故無法得到第六次化學(xué)鍍鎳返修的疲勞數(shù)據(jù)。

通過擬合空白試樣、3次和5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞壽命測(cè)試數(shù)據(jù)，可分別得到三條對(duì)應(yīng)的-曲線，通過擬合可知空白試樣的疲勞數(shù)據(jù)擬合方程為lg=7.099-1.247lgmax，3次化學(xué)鍍鎳返修試樣的擬合方程為lg=8.631-1.660lgmax-164.7，5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的擬合方程為lg=7.119-1.035lgmax。通過以上三個(gè)公式的計(jì)算可知：當(dāng)=107時(shí)，空白試樣對(duì)應(yīng)的疲勞極限數(shù)值為471 MPa，3次化學(xué)鍍鎳返修試樣對(duì)應(yīng)的疲勞極限數(shù)值為166 MPa，5次化學(xué)鍍鎳返修試樣對(duì)應(yīng)的疲勞極限數(shù)值為163 MPa。

圖3　TC2試樣疲勞升降法加載參數(shù)曲線

通過對(duì)比觀察圖4所示三條曲線可以看出：空白試樣位于最右側(cè)，3次化學(xué)鍍鎳試樣位于中間，5次化學(xué)鍍鎳返修試樣位于最左側(cè)，即：當(dāng)疲勞加載的最大應(yīng)力max處于同一載荷（大于200 MPa）應(yīng)力數(shù)值時(shí)，空白試樣對(duì)應(yīng)的疲勞壽命數(shù)值最大，5次化學(xué)鍍鎳試樣對(duì)應(yīng)的疲勞壽命數(shù)值最?。划?dāng)疲勞加載的最大應(yīng)力max接近多次（5次以內(nèi)）鍍鎳返修疲勞極限（163 MPa～166 MPa）時(shí)疲勞壽命均接近107次，也可理解為疲勞壽命為無限次。

圖4　TC2鈦合金疲勞試樣S-N曲線

返修后的疲勞極限與空白疲勞極限有較大程度的降低，這是因?yàn)門C2試樣經(jīng)化學(xué)鍍鎳返修后需要經(jīng)過一道熱處理工序，鍍鎳層經(jīng)熱處理后呈現(xiàn)為脆性，因此會(huì)產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力與疲勞加載應(yīng)力疊加時(shí)會(huì)造成疲勞壽命的降低。隨著化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)的增加，曲線斜率增大，即疲勞性能會(huì)下降。

2.2　疲勞斷口

通過掃描電子顯微鏡分別對(duì)空白試樣、3次化學(xué)鍍鎳返修和5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞斷口進(jìn)行對(duì)比觀察，疲勞斷口的宏觀試樣如圖5所示，疲勞源區(qū)的微觀形貌如圖6所示，疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌如圖7所示，瞬斷區(qū)的微觀形貌如圖8所示。

圖5　疲勞斷口的宏觀形貌

通過圖5可以看出：空白試樣、3次鍍鎳和5次鍍鎳返修試樣的疲勞斷口均由疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分構(gòu)成；空白試樣存在一處疲勞源，3次鍍鎳返修試樣存在三處疲勞源，5次鍍鎳返修試樣存在5處疲勞源。

圖6　疲勞斷口源區(qū)微觀形貌

圖7　疲勞斷口擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

結(jié)合圖6觀察結(jié)果，可以看出空白試樣的疲勞源尺寸最?。?～10 μm）；3次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞源尺寸處于中間值（10～25 μm）；5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞源尺寸最大（50～60 μm）且該疲勞源為臺(tái)階狀，具備明顯的“河流狀”特征，呈現(xiàn)出脆性特征［14］。這是因?yàn)殡S著鍍鎳返修次數(shù)的增多，鍍鎳層的塑性降低、脆性增加，在疲勞加載過程中鍍鎳層與試樣內(nèi)部的鈦合金基體變形系數(shù)不同，進(jìn)而導(dǎo)致兩者的彈性變形不能同步，在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷條件下，鍍鎳層的脆性越大，越容易形成疲勞源。

對(duì)比觀察7可知，空白試樣、3次化學(xué)鍍鎳返修和5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞擴(kuò)展區(qū)均存在明顯的疲勞輝紋，且疲勞輝紋之間的尺寸接近，微觀特征不存在明顯差別。圖8顯示的是3種試樣疲勞瞬斷區(qū)微觀形貌對(duì)比，3種試樣的瞬斷區(qū)均顯示為典型的微孔聚集性斷裂特征，均為等軸韌窩且尺寸接近。

綜合圖7和圖8結(jié)果，可看出化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)對(duì)疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)的微觀形貌無影響。這是因?yàn)槠跀U(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)基本位于母材區(qū)，多次化學(xué)鍍鎳返修工藝對(duì)試樣疲勞試樣內(nèi)部母材的材料特性幾乎無影響。

圖8　疲勞斷口瞬斷區(qū)微觀形貌

3　結(jié)論

（1）旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能試驗(yàn)表明：對(duì)應(yīng)空白試樣、3次和5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的3條曲線呈現(xiàn)為依次從右向左分布，且隨著化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)的增加，曲線斜率增大；對(duì)應(yīng)空白試樣、3次和5次化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞極限分別為471 MPa、166 MPa、163 MPa，化學(xué)鍍鎳返修試樣的疲勞極限與空白試樣相比有較大程度的降低，化學(xué)鍍鎳返修次數(shù)（5次以內(nèi)）對(duì)鍍鎳試樣的疲勞極限數(shù)值無影響。

（2）疲勞斷口觀察結(jié)果表明：鍍鎳返修次數(shù)的增多，TC2鈦合金旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣表面的疲勞源數(shù)量增多且疲勞源的脆性更明顯；多次化學(xué)鍍鎳返修對(duì)疲勞擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)的微觀形貌無影響。

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Influence of Electroless Nickel Plating Times on the Fatigue Properties of TC2 Titanium Alloy

CHAO Yaojie*， LIU Jifei， JU Min， ZHOU Yuanbiao， ZOU Yang， YANG Chao， WANG Qiong， ZHANG Qifu， ZHANG Jitong

（Dalian Changfeng Industrial Corporation， Dalian 116038， China）

In order to study the influence of the number of electroless nickel plating on the fatigue properties of titanium alloys， TC2 titanium alloy was selected as the representative material. The fatigue properties of the blank specimens， three and five electroless nickel plating rework specimens were tested with a fatigue testing machine. The fatigue fracture morphology was tested and analyzed by a scanning electron microscope. The results of the rotating bending fatigue test show that the more the number of electroless nickel plating rework， the lower the fatigue life of the TC2 specimen under high load conditions. The lower the fatigue load， the less the number of electroless nickel plating rework will affect the fatigue life of TC2.When the load is close to the fatigue limit， the number of electroless nickel plating has little effect on the fatigue life value. Fatigue fracture observation results show that the number of fatigue sources of fatigue fracture increases， with the increase of nickel plating times. There is no difference in the morphology of fatigue expansion zone and instantaneous fracture zone.

electroless nickel plating times； TC2 Titanium alloy； fatigue properties； influence

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2022.07.004

2021-10-06

2022-03-11

晁耀杰（1988— ），男，碩士，工程師，主要從事航空裝備修理相關(guān)的技術(shù)及研究工作。Email：chaoyaojie@163.com

大連市高層次人才創(chuàng)新支持計(jì)劃項(xiàng)目（2020RQ094），大連市揭榜掛帥科技攻關(guān)項(xiàng)目（2021JB12GX007）.