探究鈦合金及其擴(kuò)散焊疲勞特性的研究進(jìn)展

于 洋

（海裝沈陽(yáng)局駐哈爾濱地區(qū)第三軍事代表室 黑龍江 哈爾濱 150078）

0 引言

隨著現(xiàn)代船艦的發(fā)展與進(jìn)步，對(duì)建造材料各方面機(jī)能都提出了更高的要求，如高可靠性、高機(jī)動(dòng)性、輕質(zhì)、長(zhǎng)壽命等，這就需要發(fā)展更加高效的新技術(shù)與新材料。而鈦合金以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代船艦制造主體結(jié)構(gòu)的重要材料。是否有效運(yùn)用鈦合金，直接體現(xiàn)著船艦結(jié)構(gòu)選材的先進(jìn)性。鈦及鈦合金，發(fā)展時(shí)間從二十世紀(jì)中期開(kāi)始，是一種多用途金屬材料，最顯著優(yōu)勢(shì)就是高比強(qiáng)度、高耐蝕性等，相較于鋼鐵，其價(jià)格也更加昂貴[1]。因此，應(yīng)用領(lǐng)域多集中在航空航天、石油化工等高端領(lǐng)域。相較于其優(yōu)勢(shì)，鈦合金的缺點(diǎn)也非常明顯，經(jīng)過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)，顯示出鈦合金損傷容限較低的缺陷，疲勞裂紋一旦出現(xiàn)，擴(kuò)展的速度就會(huì)大大加快，從而難以保證長(zhǎng)期使用。因此，對(duì)于鈦合金疲勞裂紋快速擴(kuò)展的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)深入研究，并對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行徹底解決。針對(duì)這一問(wèn)題，目前，許多新型鈦合金材料被研發(fā)出來(lái)，具有較高的損傷容限，如國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的TC4-DT、TC21 等鈦合金。在長(zhǎng)期的研究中，已經(jīng)能夠有效掌握鈦合金材料成分體系，對(duì)鈦合金結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行重新構(gòu)造，也是提升其損傷容限的有效途徑。

1 鈦合金及其焊接

鈦合金中添加合金元素，依據(jù)穩(wěn)定類(lèi)型，有三類(lèi)：①α 穩(wěn)定元素。②β 穩(wěn)定元素。③中性元素。鈦合金的類(lèi)型劃分是按照化學(xué)成分進(jìn)行區(qū)分的，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)可以將鋁合金分為α 型、近α 型、α+β 型、近β 型、亞穩(wěn)β 型和β 型鈦合金幾種類(lèi)型，如圖1所示。

圖1 Mo 當(dāng)量鈦合金類(lèi)型示意圖

在加熱鈦及鈦合金時(shí)，其容易與H、C、N、O 反應(yīng)，進(jìn)行焊接時(shí)，300 ℃快速吸H，600 ℃快速吸O，700 ℃快速吸N，達(dá)到1000 ℃以上時(shí)其與C 形成化合物，吸入雜質(zhì)氣體，就會(huì)使鈦原子與其他雜質(zhì)原子形成化合物，形成脆化鈦合金[2]。因此，為了使焊接接頭質(zhì)量得到保障，在焊接時(shí)，往往會(huì)處于真空環(huán)境。目前，激光焊、擴(kuò)散焊、電子束焊等是鈦合金的主要焊接方法。以下著重講“擴(kuò)散焊”這個(gè)焊接方法，因?yàn)檫@個(gè)方法是最普遍、最廣泛的。

擴(kuò)散焊，就是將兩個(gè)或多個(gè)待焊材料疊放在一起，放在真空環(huán)境或是保護(hù)氣氛爐內(nèi)，對(duì)其加溫加壓，使焊接表面發(fā)生可塑化變形，這樣就能使焊接表面接觸更緊密，在保溫保壓中通過(guò)原子相互擴(kuò)散，進(jìn)行冶金連接，使其整體性更強(qiáng)，這是一種固相焊接。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①能保證接頭質(zhì)量，焊接牢固、穩(wěn)定。②焊件變形小、具有高精度尺寸。③能夠?qū)?fù)雜、多接頭的構(gòu)件進(jìn)行同時(shí)焊接，滿足多種作業(yè)需求之間的焊接工作需要。④可以對(duì)不同材料，薄厚差異較大的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接，適用比較廣泛。

2 疲勞裂紋形核

疲勞破壞，指的是在交變循環(huán)的應(yīng)力作用下，使材料產(chǎn)生局部變化，或是不斷積累缺陷損傷，經(jīng)過(guò)循環(huán)后局部變形，產(chǎn)生和不斷擴(kuò)展疲勞裂紋，最終導(dǎo)致工件斷裂與破壞。循環(huán)次數(shù)決定了局部變形的程度和發(fā)展程度，但是鋁合金材料多數(shù)在工業(yè)實(shí)踐中需要反復(fù)使用，疲勞裂紋形核是影響鋁合金材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

總體而言，材料疲勞破壞過(guò)程，主要分為三個(gè)階段，分別是裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展，以及最后的瞬時(shí)斷裂。就鈦合金的疲勞特性來(lái)說(shuō)，其緊密聯(lián)系著微觀組織，如形貌、晶粒、織構(gòu)、晶粒取向等。在焊接時(shí)，能量都集中在一處，在快速加熱冷卻中，接頭處的微觀和宏觀組織就會(huì)出現(xiàn)缺陷，如果無(wú)法均勻分布熱量，就會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋。

在高周疲勞中，大部分時(shí)間都處于裂紋萌生期。金屬材料疲勞破壞，一般是由于材料表面或是內(nèi)部缺陷導(dǎo)致的。這些區(qū)域有較高的局部應(yīng)力，在高應(yīng)力之下，組織局部就會(huì)變形。上述內(nèi)容都是疲勞裂紋形成的重要原因。

3 疲勞裂紋擴(kuò)展

受到循環(huán)加載作用，在斷裂前，多數(shù)金屬都會(huì)經(jīng)過(guò)宏觀疲勞裂紋發(fā)展階段，從微小到擴(kuò)大。在這個(gè)過(guò)程中，可以用da/dN-ΔK裂紋擴(kuò)展速率曲線展示。（a為疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，N為疲勞循環(huán)次數(shù)，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅）（圖2）。

圖2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率與ΔK 的函數(shù)曲線

通過(guò)圖片可以看出，有三個(gè)主要的曲線區(qū)域，Ⅰ區(qū)顯示的是萌生階段疲勞裂紋，當(dāng)ΔK小于等于下限時(shí)，疲勞裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。Ⅱ區(qū)顯示的是，穩(wěn)定擴(kuò)展階段的疲勞裂紋，呈現(xiàn)出了ΔK和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的線性關(guān)系。在這個(gè)階段，可以對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此，這一階段最重要。Ⅲ區(qū)顯示的是，擴(kuò)展高速率階段的疲勞裂紋，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K，接近于KC 時(shí)，斷裂就會(huì)瞬時(shí)發(fā)生。

研究人員還基于擴(kuò)展有限元法，采用Maxps 準(zhǔn)則作為損傷起始判據(jù)，利用 Abaqus 軟件計(jì)算了TC18 合金標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸（CT）件裂紋尖端損傷和擴(kuò)展行為[3]。結(jié)果表明，裂紋沿垂直于加載力的方向擴(kuò)展，屬于典型的Ⅰ型(張開(kāi)型)裂紋擴(kuò)展；后期裂紋尖端前形成45°剪切微裂紋，即轉(zhuǎn)為Ⅱ型(滑開(kāi)型)裂紋擴(kuò)展。

因此，為了解決疲勞裂紋擴(kuò)展的問(wèn)題，在二十世紀(jì)末，眾多科學(xué)家對(duì)貝殼特殊強(qiáng)韌化原理進(jìn)行參照，建立層合結(jié)構(gòu)，以提升韌性，并將高韌性材料層加入到脆性材料中，對(duì)陶瓷基復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制備。通過(guò)相互疊加韌性和脆性材料，就呈現(xiàn)和構(gòu)造了層合結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，層合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和完善，不僅使材料強(qiáng)韌性得到改變和優(yōu)化，而且還能改變疲勞斷裂行為界面。另外，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究和發(fā)展，對(duì)擴(kuò)散焊進(jìn)行利用，對(duì)鈦合金層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制備，研究人員通過(guò)制備鈦合金層和結(jié)構(gòu)，研究了疲勞裂紋擴(kuò)展受到連接界面的影響過(guò)程。最終發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋沿厚度方向擴(kuò)展的速率，在連接界面與基材微觀結(jié)構(gòu)差異下，得到了降低。并且在這個(gè)過(guò)程中，研究人員將未焊合區(qū)引入TC4 鈦合金擴(kuò)散焊層合結(jié)構(gòu)中，以此延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，提高疲勞裂紋在擴(kuò)展階段的壽命。

為了更好地利用擴(kuò)散焊制備鈦合金層合結(jié)構(gòu)，近年來(lái)，研究人員對(duì)擴(kuò)散焊參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，如溫度、壓力等，研究了鈦合金的擴(kuò)散焊界面微觀組織演化和力學(xué)性能，完成了TC4/Ti2AlNb 基合金等擴(kuò)散焊工藝與機(jī)理的研究[4]。

在此研究過(guò)程中，研究人員還對(duì)擴(kuò)散焊異種材料進(jìn)行了研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，連接異種材料，可以使各材料優(yōu)勢(shì)得以整合，在擴(kuò)散焊異種材料的過(guò)程中，材料界面兩側(cè)合金元素相互擴(kuò)散，在界面上形成過(guò)渡層，一般在幾微米至幾十微米，過(guò)渡層材料的成分與母材具有較大差異。

還有研究人員對(duì)擴(kuò)散焊進(jìn)行利用，對(duì)TC4/TA15 鈦合金異質(zhì)層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了制備(圖3)，通過(guò)參數(shù)的控制，找出層間微觀取向差異的α 相，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其能夠延緩疲勞裂紋擴(kuò)展，也可增強(qiáng)層合結(jié)構(gòu)拉伸性能，使其與合金母材拉伸性能相等。

圖3 擴(kuò)散焊制備TC4/TA15 合金異質(zhì)層合結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展斷面特征

因此，異種鈦合金層合結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，不僅使強(qiáng)韌特性得以提升，而且通過(guò)異質(zhì)層材料，能夠使斷裂行為得到改變和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)大量的研究，徐芳菲運(yùn)用擴(kuò)散焊技術(shù)，成功制備多層結(jié)構(gòu)樣件。而且在此過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)了薄壁窄筋中空結(jié)構(gòu)，其作為一種輕量高強(qiáng)結(jié)構(gòu)，最顯著的優(yōu)勢(shì)就是氣動(dòng)外形好，結(jié)構(gòu)容易設(shè)計(jì)，具有高溫強(qiáng)韌性，全壽命成本低、模塊化結(jié)構(gòu)，容易檢查維護(hù)等等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈舵面和翼面等結(jié)構(gòu)件上[5]。

就層合結(jié)構(gòu)的制備而言，目前釬焊或電子束焊制備超多層結(jié)構(gòu)件技術(shù)，是較為成熟的技術(shù)，但是想要增加更多層數(shù)，也就會(huì)增加更多焊縫數(shù)，從而延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，并且無(wú)法有效保證焊縫質(zhì)量。因此，徐芳菲提出多層結(jié)構(gòu)局部擴(kuò)散焊制備膜盒方法，制備出了質(zhì)量和尺寸都十分優(yōu)良的接頭。

4 疲勞強(qiáng)度與壽命

目前，疲勞壽命評(píng)估方法有兩種，一種是傳統(tǒng)應(yīng)力法，通過(guò)應(yīng)力-壽命（S-N）曲線計(jì)算壽命；一種是評(píng)定應(yīng)力缺口，對(duì)應(yīng)變疲勞進(jìn)行應(yīng)用，以此來(lái)評(píng)估壽命。一般該材料的疲勞基線，為N 達(dá)到107 cyc，達(dá)到最大應(yīng)力位。圖4描繪了N 與應(yīng)力幅之間的關(guān)系，并依據(jù)N，將疲勞破壞分為超低周、低周、高周和超高周。

圖4 疲勞循環(huán)周次與施加應(yīng)力幅的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，相較于母材，焊接接頭抗拉強(qiáng)度更優(yōu)良，但因接頭韌性下降，或存在缺陷，導(dǎo)致其不如母材疲勞強(qiáng)度好。一般來(lái)說(shuō)，給定循環(huán)應(yīng)力，接頭壽命一般比母材低20%，這是因?yàn)榻宇^處留下了損傷或缺陷，集中了大量應(yīng)力，從而萌發(fā)了裂紋疲勞，降低了疲勞性能。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)研究和實(shí)踐，在疲勞壽命降低后，通過(guò)適當(dāng)熱處理可以使焊接件的疲勞壽命得到提高。在擴(kuò)散焊的應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)連接，同時(shí)在焊接過(guò)程中，可以自由選擇是否輔助焊接，以此來(lái)添加中間層。因此，對(duì)鈦合金進(jìn)行擴(kuò)散焊，能使接頭惡化概率得到有效的降低，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用了擴(kuò)散焊鈦合金構(gòu)件。為了使這一結(jié)論得到驗(yàn)證，研究人員在950 ℃、3.5 MPa、2 h 的環(huán)境條件下，用擴(kuò)散焊連接TC4 合金，有效提升了焊接接頭拉伸強(qiáng)度，使其擁有相當(dāng)于母材的拉伸強(qiáng)度。另外，通過(guò)擴(kuò)散焊TC4 異種鈦合金測(cè)試其低周疲勞載荷，結(jié)果顯示，相較于普通熱處理，擴(kuò)散焊低周疲勞響應(yīng)更弱（圖5）。

圖5 Ti550/TC4 合金擴(kuò)散焊接頭和疲勞性能

5 總結(jié)與展望

在本文中，主要對(duì)鈦合金與其擴(kuò)散焊的疲勞裂紋形核、擴(kuò)展等內(nèi)容進(jìn)行了研究。通過(guò)研究可以看出，對(duì)擴(kuò)散焊進(jìn)行應(yīng)用，制備鈦合金層合結(jié)構(gòu)，能夠使疲勞裂紋的擴(kuò)展速率得到降低，從而使合金高溫塑性得到改善，在此基礎(chǔ)上，對(duì)組織形態(tài)優(yōu)化，改善擴(kuò)散焊接頭性能。同時(shí)，將中間層添加進(jìn)擴(kuò)散焊鈦合金中，能夠使原子充分?jǐn)U散到母材和中間層接頭處，通過(guò)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，能夠降低擴(kuò)散焊鈦合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率。另外，匹配層合材料的脆性層和韌性層，不僅影響拉伸變形應(yīng)力，也會(huì)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率產(chǎn)生影響。因此，在應(yīng)用的過(guò)程中，不能只考慮層合結(jié)構(gòu)單一性能，還要綜合衡量力學(xué)性能，如強(qiáng)韌性等。就此而言，想要降低成本和綜合力學(xué)性能，對(duì)優(yōu)異層合結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備，仍然需要進(jìn)一步深入研究。