粉末冶金TA15鈦合金組織及高周疲勞性能研究

TA15鈦合金(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)主要的強(qiáng)化機(jī)制是通過α相穩(wěn)定元素Al，β相穩(wěn)定元素Mo、V，和中性元素Zr的固溶強(qiáng)化，屬于高Al當(dāng)量近α型鈦合金。因此，該合金具有良好的室溫和高溫強(qiáng)度，熱穩(wěn)定性和可焊性接近于α型鈦合金，工藝塑性接近于α型鈦合金，綜合性能良好。該材料廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域，主要用于制造飛機(jī)主承力框、接頭、蒙皮、大型整體壁板和發(fā)動(dòng)機(jī)加力筒體等[1-2]。但目前航空鈦合金零件一般采用鍛造加機(jī)械加工制造，受傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)束縛，同時(shí)鈦合金自身粘性大、加工難度大等原因的影響，現(xiàn)有常規(guī)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的低成本快速制造，制約了鈦合金構(gòu)件應(yīng)用范圍。隨著戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)使命和性能指標(biāo)在不斷提升，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式已不能滿足發(fā)展需求，輕質(zhì)高效、長壽命、多功能、低成本、快速響應(yīng)制造是未來機(jī)體結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向[3]。

粉末冶金通常是采用熱等靜壓技術(shù)，將填充和密封在模具內(nèi)的金屬粉末，在高溫高壓下使粉末擴(kuò)散連接并致密固化，最終燒結(jié)成制件產(chǎn)品[4-7]。與傳統(tǒng)成形工藝相對比，粉末冶金技術(shù)具有成形能力強(qiáng)、成形件組織均勻致密、成形表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，適合制備大型復(fù)雜構(gòu)型的整體結(jié)構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)近凈成形，為實(shí)現(xiàn)構(gòu)件大型整體化制造及復(fù)雜構(gòu)件內(nèi)表面免加工制造提供了技術(shù)途徑，對于航空結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義[8-10]。

目前，對于粉末冶金鈦合金的研究多局限于成形工藝控制及制件靜強(qiáng)度性能，對于成形制件的組織形貌及高周疲勞特性等研究迄今未見報(bào)道。粉末冶金技術(shù)多用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域，在航空領(lǐng)域尚未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，為探索其在航空領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，本文研究了粉末冶金TA15鈦合金的微觀組織及高周疲勞性能，分析了疲勞試樣斷口形貌及其內(nèi)部成形質(zhì)量對疲勞性能的影響，為粉末冶金TA15鈦合金在航空承力結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用提供參考。

1、試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所選用的TA15鈦合金原材料粉末是采用等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的球形粉，粉末顆粒尺寸范圍為60～250μm。粉末冶金TA15鈦合金成形工藝參數(shù)為在930℃、壓力為130MPa的條件下熱等靜壓3h，去除包套模具材料后，最終制造出尺寸為400mm×150mm×15mm的板狀試驗(yàn)料。

試驗(yàn)料主元素及氣體元素含量如表1所示。在板狀試驗(yàn)料上切割出高低倍組織分析、拉伸性能測試和疲勞性能測試試樣。低倍、高倍試樣，經(jīng)粗磨、精磨、拋光、浸蝕后，采用掃描儀采集低倍照片;采用ZeissAxiover200Mat金相顯微鏡觀察高倍組織。高周疲勞試驗(yàn)按照HB5287《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣尺寸如圖1所示，載荷為恒幅正弦波形，應(yīng)力比為Ｒ=-1，試驗(yàn)頻率為110～130Hz。采用SSX-550掃描電鏡(SEM)分析疲勞試樣斷口形貌。

2、試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1組織形貌

圖2為粉末冶金TA15鈦合金試樣的低倍組織形貌，可以看出，低倍組織均勻且致密，顆粒較為清晰，無明顯孔隙和裂紋。

圖3為粉末冶金TA15鈦合金試樣的高倍組織形貌，為典型的近α組織，組織由交叉分布的條片狀的α相和相間β相構(gòu)成，或形成網(wǎng)籃狀組織，在這些組織間分布著細(xì)小的等軸α相，細(xì)小的等軸α相互毗連，勾勒出的形狀與粉末原始顆粒邊界基本重合，等軸晶內(nèi)部由厚度和長寬比不一的片狀α相編織而成。由于在熱等靜壓過程中，粉末收縮變形導(dǎo)致再結(jié)晶，自粉末顆粒邊界形成等軸α組織，粉末顆粒內(nèi)部變形較少的組織大部分都為層狀α組織[11]。該組織對應(yīng)較為均衡的力學(xué)性能，強(qiáng)度較高，塑性則更是明顯高于純網(wǎng)籃組織[12]。

2.2高周疲勞性能

按照GB228《金屬拉伸試驗(yàn)方法》對粉末冶金TA15鈦合金進(jìn)行了拉伸性能測試，測試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，粉末冶金TA15鈦合金具有良好的強(qiáng)韌匹配性。

采用升降法測定的粉末冶金TA15鈦合金疲勞極限為498MPa，與成組法測定的結(jié)果擬合成疲勞性能應(yīng)力-壽命(S-N)曲線，如圖4所示，隨著應(yīng)力水平增加，疲勞壽命呈下降趨勢;各應(yīng)力點(diǎn)的疲勞壽命分散性較大，以600MPa應(yīng)力水平為例，測得的2個(gè)試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)分別為30.7千周和2570千周。

2.3疲勞斷口形貌

由于在600MPa應(yīng)力水平下測得的2個(gè)試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)相差近2個(gè)數(shù)量級，因此，對其疲勞試樣進(jìn)行斷口形貌分析。1#樣品為30.7千周斷裂的疲勞試樣，2#樣品為2570千周斷裂的疲勞試樣。圖5是1#疲勞樣品疲勞斷口宏觀形貌，疲勞裂紋源于圖右下方箭頭所指區(qū)域附近，疲勞斷口由疲勞裂紋萌生區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)3部分組成，擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)的界限比較明顯。

圖6為1#樣品疲勞斷口典型區(qū)域的SEM照片。圖6(a)～(c)為疲勞裂紋萌生區(qū)的SEM照片，存在形狀不規(guī)則的小平面。由圖6(c)可以看到，疲勞源處存在一個(gè)明顯的缺陷區(qū)域，呈近橢圓形，尺寸約為45μm×35μm。由于缺陷導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，造成高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)，萌生疲勞裂紋。疲勞源常起源于試樣表面應(yīng)力集中或表面存在缺陷的位置[13]。該缺陷位于靠近試樣表面位置，對裂紋的萌生有較大的影響，致使疲勞壽命下降明顯。缺陷周圍為疲勞裂紋萌生擴(kuò)展區(qū)，呈現(xiàn)較為明顯平面斷裂形貌，存在片層撕裂，形成斷裂小刻面，呈現(xiàn)較為典型的解理斷裂特征。在疲勞裂紋源形成后，繼續(xù)循環(huán)加載，疲勞裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展直至相互連接。初期的短裂紋擴(kuò)展速率較慢，由于此時(shí)的裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強(qiáng)度因子較小，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力也較小。在短裂紋階段，由于疲勞試驗(yàn)的壓力比為Ｒ=-1，在循環(huán)加載條件下，裂紋進(jìn)行反復(fù)的張開和閉合，疲勞斷口表面產(chǎn)生擠壓和摩擦，因此，可以看到裂紋源區(qū)比較平整光滑，斷面處有明顯被磨平的痕跡，如圖6(b)所示。同時(shí)，在裂紋源周圍，呈現(xiàn)向四周輻射的放射線和臺階，可見疲勞裂紋是沿著具有一定高度差的小平面向周圍擴(kuò)展。

6(d)～(e)為疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。擴(kuò)展段斷面平坦，可以觀察到裂紋源區(qū)的解理和沿晶斷口特征。疑似粉末顆粒間在熱等靜壓下相互擴(kuò)散連接程度不足，未完全形成金屬鍵，造成組織疏松，一定程度上降低了疲勞壽命。由于疲勞裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下，從裂紋源區(qū)沿著滑移帶向內(nèi)部擴(kuò)展，進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展階段，循環(huán)加載拉應(yīng)力條件下，裂紋開始張開，裂紋尖端開始鈍化，卸載并進(jìn)入壓應(yīng)力階段裂紋開始閉合，裂紋尖端會(huì)重新銳化。同時(shí)在循環(huán)拉壓作用下，裂紋尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，使得裂紋階段處形成亞穩(wěn)臨界擴(kuò)展，出現(xiàn)疲勞條帶。圖6(e)為疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)疲勞條帶形貌，每一條疲勞條帶為一次循環(huán)擴(kuò)展的痕跡，疲勞條帶近似相互平行，疲勞條帶的方向與裂紋擴(kuò)展的方向垂直。

6(f)為第三階段斷口形貌，其特點(diǎn)是由淺韌窩組成，并伴隨二次裂紋的產(chǎn)生。疲勞二次裂紋一般包含2種類型:一種平行于疲勞條帶分布，具有一定區(qū)域性，主要是由于疲勞試樣受到垂直于裂紋擴(kuò)展方向的剪切撕裂應(yīng)力作用而形成;另一種二次裂紋垂直疲勞條帶分布，是主裂紋擴(kuò)展受到較大阻力時(shí)產(chǎn)生裂紋分支擴(kuò)展而形成。由圖6(f)可以看出，二次裂紋多為平行于疲勞條帶分布，該類二次裂紋釋放了主裂紋尖端的應(yīng)力，可消耗應(yīng)變能，對于提高試樣疲勞裂紋擴(kuò)展抗力、降低裂紋擴(kuò)展速率有利。因此，該類二次裂紋一定程度上提高了試樣的疲勞壽命[14-15]。

圖6(g)和(h)為瞬斷區(qū)的斷口形貌SEM照片，瞬斷區(qū)是疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸后，在應(yīng)力作用下失穩(wěn)擴(kuò)展最終試樣斷裂而形成的區(qū)域[16-17]，該區(qū)域呈現(xiàn)大量韌窩和撕裂棱，局部韌窩分布較為均勻，韌窩是疲勞試樣拉斷時(shí)形成，顯示為微孔聚集型。由于在疲勞試驗(yàn)過程中，在應(yīng)力作用下試樣內(nèi)部晶粒產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，使得金屬點(diǎn)陣發(fā)生嚴(yán)重扭曲，裂紋在晶粒內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)較為困難，因此，在晶粒相鄰的邊界處發(fā)生較大的塑性變形，形成撕裂棱和韌窩。疲勞試樣瞬斷區(qū)的韌窩和撕裂棱，反映了材料斷裂時(shí)塑性變形的程度，同時(shí)，韌窩和撕裂棱的高度反映了裂紋擴(kuò)展時(shí)消耗的能量大小，通過韌窩和撕裂棱高度可以定性地分析材料的斷裂韌性和止裂能力。該試樣瞬斷區(qū)的韌窩和撕裂棱的高度比較高，說明粉末冶金TA15鈦合金材料的韌性較好，與測試的拉伸結(jié)果相一致。

圖7是2#疲勞樣品疲勞斷口宏觀形貌，疲勞裂紋源于圖下方圓形區(qū)域，經(jīng)歷慢速(Ⅰ區(qū))、中速(Ⅱ區(qū))2個(gè)階段，最后斷裂。

圖8為2#樣品疲勞斷口典型區(qū)域的SEM照片。圖8(a)和(c)為疲勞裂紋萌生區(qū)的SEM照片，疲勞源為次表面形核裂紋，裂紋源處存在2個(gè)形狀不規(guī)則的小平面;由圖8(c)可以看到，其中一個(gè)形狀不規(guī)則的小平面處存在一橢圓形缺陷。圖8(d)為疲勞裂紋源附近區(qū)域的高倍，可見呈類似準(zhǔn)解理形貌，并產(chǎn)生二次裂紋，該類二次裂紋與主裂紋垂直的方向向下擴(kuò)展，可對主裂紋尖端處應(yīng)力進(jìn)行釋放，消耗部分應(yīng)變能，一定程度減緩主裂紋擴(kuò)展，有利于降低裂紋的擴(kuò)展速率，提升疲勞壽命。圖8(e)和(f)為疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)域的形貌，存在大量疲勞輝紋。圖8(g)和(h)為瞬斷區(qū)斷口形貌，主要由淺韌窩組成。

對比1#樣品與2#樣品的斷口形貌可以看出，疲勞裂紋均萌生于試樣近表層的缺陷部位。因?yàn)槠谠嚇咏砻婢ЯＬ幍木ЯＴ趹?yīng)力作用下，受約束環(huán)境與內(nèi)部晶粒不同，在疲勞試驗(yàn)過程中試樣表層與內(nèi)部會(huì)有較大的力學(xué)性能差異，因此試樣近表層易于形成疲勞裂紋。1#樣品的缺陷更為明顯，且缺陷尺寸較大，容易發(fā)生裂紋萌生;裂紋形核位置更主要地取決于尺寸較大缺陷的位置[18]。因此，1#試樣的疲勞壽命相對比2#試樣明顯偏低。

進(jìn)一步觀察其它疲勞壽命較低的試樣斷口形貌，疲勞源均存在疑似缺陷的區(qū)域，見圖9。缺陷尺寸不大于100μm，缺陷內(nèi)部呈粗糙狀，不同于氣孔類缺陷的內(nèi)壁光滑形貌，分析其形成原因，疑是大顆粒空心粉造成。因粉末冶金的原材料粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝制備的球形粉，粉末顆粒尺寸范圍為60～250μm，該工藝制備的粉末容易在內(nèi)部產(chǎn)生閉合空隙，內(nèi)含有一定量的Ar氣體[19]，氣體存在于粉體內(nèi)部的空心中，在熱等靜壓過程中這些空心無法排除[11]，形成缺陷。為進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)論，采用流體靜力學(xué)方法測得粉末冶金TA15鈦合金試驗(yàn)料的室溫密度為4422kg/m，約為同牌號材料鍛件密度的99.37%。結(jié)果表明，粉末冶金TA15鈦合金試驗(yàn)料未達(dá)到完全致密化，內(nèi)部存在微小空隙及組織疏松，這些缺陷對材料的疲勞性能造成不利影響，一定程度上成為該疲勞性能數(shù)據(jù)分散性較大的根源。

3、結(jié)論

(1)粉末冶金TA15鈦合金低倍組織呈均勻的顆粒團(tuán)聚狀，高倍組織由細(xì)小的等軸晶組成，晶界不明顯;等軸晶內(nèi)部由厚度和長寬比不一的片狀α相編織而成。

(2)粉末冶金TA15鈦合金具有較高的高周疲勞強(qiáng)度，疲勞極限為498MPa;各應(yīng)力點(diǎn)的疲勞壽命分散性較大。

(3)粉末冶金TA15鈦合金疲勞斷口裂紋萌生源均存在微小空隙及組織疏松等缺陷，缺陷尺寸不大于100μm，疑是大顆粒空心粉造成，該類缺陷對材料的疲勞性能照成不利影響。

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