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        富氧α層對鈦合金直角接頭開裂的影響

        2011-04-27 10:27:06董志國劉含洋
        失效分析與預防 2011年3期
        關鍵詞:富氧源區(qū)弧線

        陳 星,董志國,姜 濤,劉含洋

        (1.北京航空材料研究院,中國航空工業(yè)集團公司失效分析中心,試金石檢測科技有限公司,北京 100095;2.中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設計研究所,沈陽 110015)

        0 引言

        鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的抗腐蝕能力,在航空發(fā)動機上運用廣泛。目前,先進發(fā)動機壓氣機盤、壓氣機葉片和風扇葉片以及機匣等關鍵部位均由鈦合金制造。鈦合金具有較強的缺陷敏感性,因而成為制約鈦合金零件的合格率和工作可靠性的重要因素[1];因此,對鈦合金熱熔煉工藝缺陷導致故障進行深入研究更顯必要。

        某液壓系統(tǒng)進行地面開車試驗約2 h時,發(fā)現(xiàn)鈦合金管接頭噴油現(xiàn)象(該接頭材料牌號為TC6M,主要制造工序為:鍛造→熱處理→機加→表面陽極化→裝配)。后更換另一件直角接頭繼續(xù)工作約3 h在同樣位置也發(fā)生開裂噴油現(xiàn)象。對其中一件直角接頭進行斷口宏、微觀觀察,對接頭進行金相組織和硬度檢查,以確定接頭的開裂性質和原因,為后續(xù)的試驗提供可靠的數(shù)據(jù)。

        1 試驗過程與結果

        1.1 斷口宏觀觀察

        裂紋位于接頭直角轉彎處,裂紋總長度約15mm(圖1)。將斷口人為打開,源區(qū)位于構件最薄處,在體式鏡下觀察,該斷口呈線源,源區(qū)可見金光閃閃的小刻面特征,厚度約0.1mm(圖2)。斷口擴展區(qū)為明顯的疲勞弧線特征,且疲勞區(qū)已穿透接頭的厚度。對斷面顏色進行觀察,在明顯疲勞弧線處斷面呈深藍色+紫色,且從該角向遠處顏色逐漸變淺;從源區(qū)到接頭厚度方向之間的區(qū)域內(nèi)呈黃色;擴展后期的斷面呈灰色。

        1.2 斷口微觀觀察

        將接頭斷口經(jīng)超聲波清洗后置于掃描電鏡進行觀察,接頭呈線源,在源區(qū)可見距離外表面厚度約0.1mm的呈解理開裂形貌,低高倍形貌分別見圖3和圖4,對源區(qū)進行能譜分析,可知該區(qū)域除了基體元素外,還含有11.61%(質量分數(shù))的O元素。源區(qū)側表面未見明顯的損傷痕跡。在裂紋擴展過程中,可見明顯的疲勞弧線(圖5),在疲勞弧線間還可見明顯的疲勞條帶形貌(圖6),能譜分析表明該區(qū)域O元素含量較少。對疲勞弧線靠近表面區(qū)域處的深藍色+紫色區(qū)域進行能譜分析,可知該區(qū)域的O元素含量更高,達到了17.64%(質量分數(shù))。所測能譜分析結果見表1。

        1.3 金相檢查

        在接頭源區(qū)附近和離源區(qū)較遠處分別截取金相試樣,磨制拋光、腐蝕后進行金相組織觀察。源區(qū)附近表面可見厚度約0.1mm的富氧α層,并且α相約占富氧層的70%(圖7)。離源區(qū)較遠處金相也可見明顯的富氧α層,其中α相約占富氧層的60%(圖8)。在富氧α層多處區(qū)域分布著約50 μm深的裂紋(圖9)。對該裂紋尖端處進行能譜分析,結果表明未見陽極化溶液元素(P、N元素);因此,可推斷該細小裂紋可能產(chǎn)生于陽極化之后?;w組織為正常的雙態(tài)組織(圖10)。

        1.4 硬度測試

        在接頭斷口附近截取硬度試樣,磨制拋光后進行維氏硬度測試,對接頭距外表面不同深度硬度測試結果見表2。由表2可作曲線見圖11,接頭的基體硬度值約為377.3 HV。朱知壽等[2]的研究表明,以表面硬度與基體硬度兩者HV相差20 HV為判斷富氧α層的依據(jù);因此,按氧化層厚度判斷方法,該接頭的富氧層厚度已經(jīng)大于0.15mm。

        表1 能譜分析結果(質量分數(shù) /%)Table 1 Results of energy spectrum analysis(mass fraction/%)

        表2 接頭距外表面不同深度硬度測試結果(HV100)Table 2 Hardness testing results near the outside surface(HV100)

        2 分析與討論

        由接頭斷口宏、微觀觀察結果可知,接頭斷口可見明顯的疲勞弧線和疲勞條帶,推斷該接頭的開裂性質為疲勞開裂。其中斷面上各個區(qū)域的顏色分界較明顯,分析認為接頭開裂后,在高頻振動的作用下,兩斷口發(fā)生了不同程度的摩擦和氧化而形成的。

        由直角接頭斷口分析和金相觀察結果可知,接頭的源區(qū)均可見厚度約0.1mm的富氧α層,遠離源區(qū)處也可見厚度約0.05mm的富氧α層。由硬度測試結果,可知該富氧α層的硬度較基體均高出較多,對圖11分析可知,以表面硬度與基體硬度相差20 HV作為判斷富氧α層的依據(jù)[2],本次故障的直角接頭的富氧α層厚度應大于0.15mm。將直角接頭表面富氧α層人為打開后,斷口形貌與圖4相同,由此說明含有富氧α層的鈦合金即使發(fā)生疲勞斷裂,在表面富氧α層源區(qū)處也呈過載斷裂特征,形成該形貌與富氧α層處硬度值大大高出基體值有關。

        對一般的鈦合金生產(chǎn)過程而言,氧元素除了在接頭表面形成氧化層外,還向基體中擴散形成脆性富氧層,從而影響合金力學性能。一般富氧層可分為3層,最表層為氧化皮層,第2層為所含α相含量大于基體α相含量區(qū)域,第3層為表面硬度與基體硬度相差20 HV作為分界層。研究表明,對一般的鈦合金來說,在500℃左右加熱,鈦合金表面會形成0.01mm以下的氧化膜,氧化膜的主要成分為TiO,在450~600℃下,保溫15~120 min的熱處理過程中,富氧α層形成速度較慢,富氧α層深度隨熱處理保溫時間的延長變化不大;在700℃以后,富氧α層深度才有較大的變化。在900~1000℃以上氧化,富氧α層深度可達到0.1mm以上,而且在表面可以觀察到TiO2氧化皮。隨著氧化溫度的升高和時間的延長,富氧層厚度增加[2-6]。富氧α層的存在對構件的疲勞性能會產(chǎn)生較大的影響,大大減小構件的萌生壽命[7]。

        從受力情況進行分析可知,斷口呈線源,且斷面均可見明顯的疲勞弧線特征,說明該位置承受了較大的應力。通過斷口分析可知,整個斷口可見明顯的疲勞弧線+疲勞條帶形貌,每一條疲勞弧線對應于一次大的沖擊載荷產(chǎn)生的特征,而小的疲勞條帶對應于小載荷留下的痕跡[1];因此,本次接頭開裂應該經(jīng)歷了正常的油壓沖擊的基礎上還疊加了較大的沖擊載荷。產(chǎn)生較大的應力可能有以下幾個方面原因:1)接頭斷裂位置處于直角的交接處,為應力集中區(qū)域,且設計裕度較小,為接頭的斷裂提供了結構應力。鍛件成型之后進行酸洗、噴砂、陽極化處理等工序,由于裂紋處于鍛件凹面區(qū)域,噴砂工藝未能完全處理干凈表面污染,使得該處存在污染較嚴重區(qū)域,加速了接頭的開裂。2)若接頭裝配應力過緊,致使接頭不僅承受管內(nèi)的油壓,還要承受裝配應力,對裂紋的擴展有較大影響。3)當飛機進行起飛或停車等各種動作時,油壓的供給量瞬間增大或減小,對油管和接頭的整體激烈振動提供動力,若該振動與發(fā)動機系統(tǒng)本身的振動達到平衡并形成共振時,接頭的受力將急劇增大,特別是對富氧α層較厚的接頭產(chǎn)生的影響更大。4)機械加工的振動過大也會促使硬度較高的富氧α層開裂,但從裂紋斷口的能譜分析未見明顯的陽極化元素,推斷裂紋產(chǎn)生于陽極化之后,機械加工的殘余應力對裂紋的產(chǎn)生有一定的影響,但影響相對較小,并在后續(xù)的階段發(fā)生疲勞開裂。

        3 結論

        1)直角接頭的開裂性質為疲勞開裂,開裂原因與接頭承受的大應力和源區(qū)較厚的富氧α層有關;

        2)鑒于該接頭受力較大,建議在徹底去除富氧α層的前提下,適當增加設計裕度。

        [1]陶春虎,劉慶瑔,曹春曉,等.航空用鈦合金的失效及其預防[M].國防工業(yè)出版社,2002.

        [2]朱知壽,王新南,吳崇周,等.鈦合金富氧α層的形成與測定方法研究[J].稀有金屬快報,2007,26(12):24-28.

        [3]賈蔚菊,曾衛(wèi)東,劉建榮,等.Ti60高溫鈦合金氧化行為研究[J].稀有金屬材料與工程,2010,39(5):781-786.

        [4]王清瑞,黃利軍,黃旭,等.熔滴對TB6鈦合金高周疲勞性能影響[J].稀有金屬,2009,33(3):295-298.

        [5]蔡建明,馬濟民,郝孟一,等.鈦合金中的硬α缺陷及其等離子體冷爐熔煉控制技術[J].失效分析與預防,2007,2(2):51-57.

        [6]張衛(wèi)方,劉慶瑔,陶春虎,等.鈦合金損傷與預防的研究進展[J].材料工程,2003(增刊):21-25.

        [7]劉昌奎,劉華.TA15鈦合金焊接接頭性能與斷裂行為研究[J].失效分析與預防,2006,1(2):45-48.

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