抗氧化涂層對TA32鈦合金連接件疲勞性能的影響

隨著航空航天技術的進步，高溫鈦合金在航空航天領域的應用越來越廣泛［1］ 。TA32鈦合金是一種近α型高溫鈦合金，屬于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta體系，由中國科學院金屬研究所于1980年代研制成功。其具有廣闊的應用和六邊形緊密堆積的晶體結構［2-4］ 。

通過去除對可焊性影響顯著的Nd，并添加Nb和Ta等熱強化元素，大幅提高了TA32合金的焊接性。這種合金表現出優異的綜合性能，包括高溫拉伸強度、抗疲勞性和抗蠕變性［5-6］ 。鈦合金高溫服役過程會發生氧化，導致力學性能嚴重下降。高濃度的氧溶解還會導致氧脆現象。氧氣通過氧化膜快速擴散并溶解于基體合金，導致基體合金表面產生脆性層，從而惡化合金的力學性能并增加開裂傾向［7］ 。氧化和氧脆是影響高溫鈦合金塑性和熱穩定性的重要因素。通過適當的表面處理提高鈦合金的抗高溫氧化性非常必要。

涂層覆蓋在基體表面，與基體在組分或結構等存在差異，具備比基體更優越的特性。涂層的應用可以隔離構件在極端工作環境下受到的影響，例如防熱、防輻射、耐磨、防腐蝕、防沖刷和防撞擊等方面，以維持關鍵構件的最大工作性能，提高構件的疲勞性能和使用壽命。國內外對涂層抗高溫氧化的研究都很活躍［8］ 。

因此，針對鈦合金高溫抗氧化性的改善，涂覆抗氧化涂層，從而提升疲勞抗力。如今在航空飛行器的制造過程中，連接技術必不可少，機械連接占很大一部分，像飛機主要承力結構，飛機大部件對接，如機翼與機身的對接，還有一些需要經常或定期拆卸的結構件都為螺栓連接，飛機上的螺栓連接件中對抗疲勞要求高的結構還可以使用高鎖螺栓［9］ 。例如波音 747 上就應用了高鎖螺栓 4 萬件。

TA32鈦合金連接件具有連接強度高、服役溫度高、裝拆方便等優點，可作為備選材料應用于飛機機身框架、機翼蒙皮等部位。疲勞性能是工程結構件最關注的性能之一，航空結構件更是如此［10］ 。因此，研究TA32鈦合金連接件的疲勞性能具有重要意義。國內外關于TA32鈦合金板材的高溫變形及顯微組織的研究有很多報道，而關于高溫氧化環境下的TA32鈦合金連接件的疲勞性能少有報道。

本文作者通過分析顯微組織、疲勞壽命和斷口形貌，研究了抗氧化涂層對TA32鈦合金連接件在高溫氧化環境下的疲勞性能的影響。為TA32鈦合金在航空飛行器高溫環境中的工程化應用提供方法與試驗依據。

1、 試驗材料與方法

試驗件由TA32鈦合金鍛件、A286螺栓、30CrMn?SiA螺母及墊圈組成。TA32鈦合金化學成分如表1所示。表2為不同連接件的試驗狀態。試驗件示意圖如圖1所示。按照HB 5143—1996要求，用PLW-100電液伺服動靜萬能機進行室溫靜態拉伸試驗，選定疲勞試驗的最大載荷。選未經處理、經550 ℃×100 h熱處理、涂覆抗氧化涂層并進行同樣熱處理的 3種試樣。

然后按 HB 5287—1996在 PLW-100電液伺服動靜萬能試驗機上進行疲勞試驗，疲勞試驗在室溫與高溫（600 ℃）下進行，試驗波形為正弦波，頻率為10 Hz，應力比為0.06。在疲勞斷口靠近疲勞源的斷裂表面截試樣，觀察顯微組織，用 Kroll腐蝕劑（HF、HNO 3 、H 2 O的體積比為1∶2∶50）腐蝕后，用OLYMPUS光學顯微鏡觀察顯微組織；用ΣIGMA掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。

2 、結果與討論

2.1 未經處理連接件試樣的疲勞性能

2.1.1 疲勞壽命對比

圖2為疲勞壽命柱形圖。可知，TA32鈦合金連接件在室溫下，未經處理的試件壽命高于550 ℃×100 h熱處理及涂覆涂層并熱處理的試件，經熱處理后疲勞壽命下降65%，此熱處理是高溫氧化過程，表明高溫氧化對試驗件的疲勞壽命不利，其疲勞抗力顯著下降；然而，在涂覆抗氧化涂層后再進行相同熱處理，其疲勞壽命下降60%，降幅減少，說明在室溫下，通過涂覆抗氧化涂層能降低熱處理中高溫氧化的不利影響，提升連接件的疲勞抗力。在600 ℃下，未經處理和經熱處理的試件均低于同等狀態下室溫的疲勞壽命，且后者比 前者疲勞壽命降低 74%。這表明除熱處理外，高溫600 ℃也對試件疲勞性能不利。通過對TA32鈦合金連接件進行涂覆抗氧化涂層再進行550 ℃×100 h保溫熱處理后，其疲勞壽命較未經處理試驗件顯著提升24%，說明在高溫600 ℃下，涂覆抗氧化涂層不僅能抵消熱處理中的高溫氧化且能使連接件的疲勞性能提升。由此可以看出，在高溫下用抗高溫和抗氧化的涂層材料可提升鈦合金基體的疲勞性能。

2.1.2 顯微組織

圖3為不同溫度下不同狀態TA32鈦合金連接件的顯微組織。可以看出，所有試樣組織的α相均由兩部分組成，分別為初生α相和β相分解產生的次生α相，初生α相為球狀，次生α相是片層狀；由初生α相和轉變β相（片層α相和保留β相的混合組織）組成的雙態組織，具有出色的綜合性能，是強度、塑性、韌性、熱強性的最佳匹配。

由圖3b、e可以看出，TA32鈦合金連接件經550℃×100 h熱處理后，其組織發生變化，在室溫與高溫600 ℃下的顯微組織中均發現初生α相長大，次生α相粗化、長大。α相粗大，會使組織不均，易產生應力集中導致強度降低，進而導致連接件疲勞性能降低。

圖3c、f為涂覆抗氧化涂層后進行熱處理試樣的顯微組織。可以看出，初生α相與次生α相無明顯變化。說明抗氧化涂層能抵消TA32鈦合金連接件在熱處理中高溫氧化對基體的不利影響。通過抗氧化涂層在鈦合金基體表面形成的致密氧化膜，使鈦合金基體在室溫和高溫600 ℃下均有一個良好的抗高溫氧化性能，進而影響TA32鈦合金連接件的疲勞性能。

2.1.3 斷口形貌

圖4為連接件A1試樣疲勞斷口的宏觀形貌。可以看出，斷口可分為疲勞裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區。疲勞裂紋源區位于試樣表面螺栓孔周圍，該區域較光滑。這是由于螺栓孔周圍的表面存在應力集中，而交替加載引起的應力變化促使裂紋從試樣表面開始生成。在裂紋形成初期呈放射狀，并逐步向內擴張，且非常密集，形成疲勞裂紋擴展區，隨后裂紋逐漸稀疏。在疲勞源區，裂紋擴展速率非常緩慢，多次循環后才能形成，所以疲勞源區的斷口一般比裂紋擴展區和瞬時斷裂區更平坦。隨裂紋的加長，裂紋張口變大，擴展速度加快，裂紋稀疏。當裂紋擴展到不足承擔最大疲勞載荷時，材料瞬間斷裂，形成比較粗糙的表面形貌。對于整個斷口而言，疲勞源區所占的區域最小，裂紋擴展區占的面積最大，約為斷口形貌的一半。瞬斷區約占整個斷口面積的1/3［11］ 。

圖5為未經處理的TA32連接件在室溫與高溫下裂紋擴展區和瞬斷區的斷口形貌。圖5a為試樣在室溫的裂紋擴展區微觀形貌。可以看出，裂紋擴展區由河流花樣、解理臺階及大量的撕裂脊、微小的二次裂紋和峭壁組成，斷口表面高度有較大的起伏，裂紋走向曲折，表現出準解理特征，說明其具有穿晶開裂特征［12］ 。

圖5c是高溫下的裂紋擴展區微觀形貌，斷口表面高度起伏減緩，整體以解理斷裂為主，可以看見疲勞輝紋形貌。裂紋擴展需要消耗應變能，而撕裂棱，二次裂紋和峭壁的形成都會消耗應變能。當試樣的剩余連接部分不足以承受循環載荷時，會發生疲勞裂紋擴展，導致試樣突然斷裂。連接件A1和B1的的微觀形態揭示了孔隙聚集型凹坑的特征形態，可以觀察到，經歷循環次數較多的試件A1斷裂窩較小、較淺，而經歷周期次數較少的試件B1斷裂窩較大、更深（圖5b、d）。這是因為壽命較長的試樣具有較大的裂紋擴展區域和較小的斷裂剩余區域，導致在發生足夠的凹坑變形之前過早斷裂。相反，壽命較短的試樣表現出較大的斷裂帶，表明凹陷變形充分直至不足以承受斷裂應力。此外，在疲勞測試期間，高溫會縮短暴露表面的TA32鈦合金連接件的疲勞壽命。

2.2 室溫下抗氧化涂層對連接件疲勞性能的影響

圖6a為熱處理后在室溫下疲勞試件A2的裂紋擴展區。斷口表面高度無大的起伏，存在大量的解理臺階、少量撕裂棱及清晰的疲勞條，且附近伴有小韌窩。表現出準解理特征。圖6b為試件A2瞬斷區形貌，主要以尺寸、形狀不一的解理臺階、韌窩和微裂紋組成。

圖6c為涂覆抗氧化涂層并熱處理的試件A3的裂紋擴展區，表面有較大起伏，以解理斷裂為主，以扇形的方式向外擴展，形成解理扇形，且存在較長的二次裂紋。

圖6d為試件A3瞬斷區形貌，是經典的微孔聚集型韌性斷口，分布著許多典型的韌窩花樣。可以看出，經熱處理的試件A2疲勞斷口平坦，與A1相比無太多撕裂棱、二次裂紋和峭壁存在，其裂紋擴展所需應變能相應減少，使 A2的裂紋擴展速率比A1大，導致A2的壽命小于A1；涂覆抗氧化涂層并熱處理的試件A3較A2存在較長的二次裂紋，其產生需要消耗應變能，所以裂紋擴展需要消耗的應變能高，擴展速率變小，所以壽命有所提升。因為經熱處理的試樣A2的疲勞壽命較涂覆抗氧化涂層再熱處理的試樣A3小，所以圖6b的韌窩較圖6d小而淺。

圖7為室溫下有、無涂層TA32鈦合金連接件的疲勞斷口宏觀形貌。可以看出，TA32鈦合金的疲勞弧線和擴展棱線不明顯。在無抗氧化涂層時，疲勞擴展棱線的起始位置均勻分布在孔的內壁，并沿水平方向擴展。而在涂覆抗氧化涂層后，斷口中孔的內壁下部出現弧線擴展棱線［13］ 。這是因為涂層改變了材料表面層的應力狀態。抗氧化涂層的涂覆過程引入了殘余應力，其在材料表面形成一種壓應力狀態。引入的殘余壓應力抑制了由位錯反向滑移形成疲勞裂紋的過程，影響了疲勞裂紋的起始位置，并抑制了靠近邊緣區域的疲勞裂紋的形成和擴展。這些壓應力還可以緩解應力集中，并抑制裂紋擴展。加載時裂紋需要克服這些壓應力才能繼續擴展，從而延緩了裂紋的形成和擴展。

2.3 600 ℃下抗氧化涂層對連接件疲勞性能的影響

圖 8a 為試件 B2 的裂紋擴展區。斷口表面較平坦，為河流花樣，存在清晰的疲勞輝紋，每條疲勞輝紋代表一次應力循環使裂紋發生一個微小的擴展［14］ ，疲勞條帶及數量代表載荷循環和循環次數，而疲勞條帶間距與應力強度因子幅值密切相關。疲勞條帶可視為疲勞裂紋擴展速率在斷口上的微觀表現。圖8b是試件 B2瞬斷區形貌。主要以尺寸、形狀不一的解理臺階、韌窩和微裂紋組成。圖8c為試件B3的裂紋擴展區。表面高度起伏更大，存在大量解理臺階及微小的二次裂紋。圖8d為試件B3的瞬斷區。斷口形貌是經典的微孔聚集型韌性斷口，分布許多典型的韌窩花樣。可以看出，試件 B2的斷口裂紋擴展路徑相對平坦，裂紋擴展路徑與裂紋擴展方向單一，大多在同一維度上擴展，涂覆抗氧化涂層后，擴展路徑變得復雜，裂紋沿多個方向在不同的平面間擴展。疲勞條紋密度明顯高于無涂層的，且疲勞條紋的間距減小。疲勞帶的間距可近似反映疲勞裂紋的增長速度。因此，可以推斷涂覆抗氧化涂層后能有效降低裂紋的擴展速度，這延長了疲勞裂紋擴展的周期，進而延長了疲勞壽命，說明涂覆抗氧化涂層不僅能有效抵抗高溫氧化對TA32鈦合金連接件的不利影響，且能提升其高溫下的疲勞性能。

由圖9a可以看出，裂紋萌生階段的斷口較光滑，粗糙度較低，疲勞裂紋源出現在表面，放射狀疲勞溝線的交匯處，具有多個裂紋源特征。由圖 9b可知，涂覆涂層后的斷口形貌相對粗糙，裂紋源首先出現在預裂紋面的內部，然后逐漸向外延伸，裂紋延伸路徑曲折［15］ 。這表明，抗氧化涂層抑制了裂紋源產生且抑制了裂紋的擴展，其原因是抗氧化涂層能在高溫下防止氧氣與基材發生氧化反應。高溫會引起基材表面生成氧化層，其與基材之間出現界面弱點，易于裂紋的形成和擴展。抗氧化涂層可以形成保護層，阻隔氧氣進入 基材，從而減少了氧化層的形成，降低了裂紋的形成和擴展。從而提高了試件表面疲勞抗力，抑制了疲勞裂紋在表面的產生。延遲或阻止材料表面裂紋的形成，以及次表面裂紋源的形成，并延長了疲勞裂紋萌生的周期。

3、 結 論

1）經550 ℃×100 h熱處理，會使TA32鈦合金連接件在室溫與高溫600 ℃下疲勞性能不同程度下降。這是由于α相粗大，使材料組織很不均勻，易產生應力集中導致強度降低，進而導致連接件疲勞性能降低。

2）室溫下抗氧化涂層能抵抗熱處理氧化對TA32鈦合金連接件疲勞性能的不利影響。這是由于引入了殘余應力，可以在材料表面形成一種壓應力狀態，影響了疲勞裂紋萌生的位置，抑制了靠近邊緣區域的疲勞裂紋萌生和擴展。

3）在高溫600 ℃下抗氧化涂層不僅能有效抵抗熱處理對TA32鈦合金連接件疲勞性能的不利影響，而且能提升TA32鈦合金連接件的疲勞性能。相對于未處理試件提升了24%，這主要是抗氧化涂層能夠在高溫下防止氧氣與基材發生氧化反應，降低了裂紋的形成和擴展。

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