許 平，王 奡，蘇智星

(中航工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所，遼寧 沈陽 110035)

0 引言

TA15鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，綜合性能優(yōu)異，其主要強化機制是α穩(wěn)定元素Al的固溶強化，加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo及V后，工藝性能也能夠得到改善。該合金既具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性［1］。據(jù)相關(guān)報道，TA15鈦合金的塑性僅次于TC4鈦合金，同樣可以采用超塑成形/擴散連接工藝制造飛機結(jié)構(gòu)件，而由于其強度極限略高于TC4鈦合金，使得TA15鈦合金超塑成形/擴散連接在有強度要求的部件上發(fā)揮了獨特的優(yōu)勢。

某TA15鈦合金飛機壁板結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜(見圖1)，承載較大，對重量等指標要求苛刻。為了滿足載荷、重量等多約束的設(shè)計要求，擬采用超塑成形/擴散連接方法制造兩層結(jié)構(gòu)的TA15鈦合金壁板，并對其拉伸、疲勞、剪切等力學(xué)性能進行檢測，探討超塑成形/擴散連接方法制造TA15鈦合金壁板的可行性。

圖1 TA15鈦合金飛機壁板示意圖Fig.1 Sketch of TA15 titanium alloy aircraft panel

1 實驗

采用厚度分別為2、4 mm的TA15鈦合金板材，經(jīng)兩步熱循環(huán)制造工藝，即先擴散連接后超塑成形，制備TA15鈦合金壁板。超塑成形/擴散連接的設(shè)備為超塑成形機FSP-750，擴散連接主要工藝參數(shù)為:擴散溫度920～950℃，單位壓力1.5 MPa，保壓時間1 h。超塑成形主要工藝參數(shù)為:超塑成形溫度920～950℃，應(yīng)變速率5×10-3s-1。對TA15鈦合金壁板進行化學(xué)銑切、宏觀及顯微鏡觀察以及超聲波無損檢測。

為了考核TA15鈦合金超塑成形/擴散連接壁板的力學(xué)性能，規(guī)劃了與上述壁板的材質(zhì)、厚度、成形工藝及成形過程完全一致的力學(xué)性能試驗件，測試TA15鈦合金超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)的拉伸性能、疲勞性能以及剪切性能。其中，拉伸試樣2個，試樣尺寸及實驗過程按照GB/T 228.1—2012執(zhí)行;疲勞試驗采用成組法進行，試樣共25個，分為5組，每組5個，5組試驗的最大載荷分別為0.35Pb、0.40Pb、0.45Pb、0.50Pb、0.55Pb(Pb取上述2個拉伸試樣破壞載荷的平均值)，試驗按等幅譜加載，應(yīng)力比R為0.06，加載頻率為5～15 Hz;剪切試樣3個，其尺寸及試驗過程按照HB 6736—93執(zhí)行。

實驗在空軍裝備研究院飛機壽命研究實驗室進行，設(shè)備為美國MTS公司的50 t MTS810液壓伺服疲勞試驗機，加載精度如下:靜載誤差范圍在±0.5%，動載誤差范圍在±1%;液壓促動器位移量程為100 mm，精度為±1%(滿量程);應(yīng)變引伸計量程為50 mm，精度為±0.5%(滿量程)。實驗設(shè)備均經(jīng)過檢驗且在有效期內(nèi)，精度等指標滿足實驗要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 壁板質(zhì)量

經(jīng)過超塑成形/擴散連接工藝成形后，對TA15鈦合金壁板局部應(yīng)力較低的部位進行了化學(xué)銑切，銑切的界面已達到或超過了擴散連接的界面，說明TA15鈦合金壁板的擴散連接的焊合率非常好。經(jīng)宏觀及顯微鏡觀察、無損檢測發(fā)現(xiàn)，TA15鈦合金壁板表面沒有裂紋、針眼、壓褶、金屬夾雜等缺陷，其氧化色低于300℃的標準氧化色，擴散連接區(qū)的缺陷在每300 mm×220 mm范圍內(nèi)不多于1處，缺陷小于φ4 mm的圓面積。說明采用超塑成形/擴散連接工藝制造的TA15鈦合金壁板質(zhì)量良好。

2.2 拉伸性能

TA15鈦合金超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的拉伸性能見表1。

表1 TA15鈦合金超塑成形/擴散連接試樣的拉伸性能Table 1 Tensile properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples

為了研究試驗件經(jīng)過超塑成形/擴散連接熱循環(huán)工藝之后的強度損失，對同批次原材料進行了拉伸試驗，結(jié)果見表2。

表2 TA15鈦合金板材的拉伸性能Table 2 Tensile properties of TA15 titanium alloy plates

以4 mm厚原材料的平均抗拉強度Rm=1062.5 MPa為參考，經(jīng)過超塑成形/擴散連接熱循環(huán)后，試樣的抗拉強度約為原材料的88.7%，雖然超出了壁板Rm≥870 MPa的設(shè)計要求，但是其強度未達到原材料的90%(一般而言，設(shè)計上要求經(jīng)超塑成形/擴散連接后，結(jié)構(gòu)的抗拉強度應(yīng)達到原材料的90%以上)，這說明TA15鈦合金經(jīng)過超塑成形/擴散連接熱循環(huán)后強度下降得比較多，后續(xù)應(yīng)繼續(xù)調(diào)整工藝參數(shù)，使其拉伸強度達到原材料的90%以上。

超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)的TA15鈦合金試樣的σ-ε曲線如圖2所示。

圖2 TA15鈦合金超塑成形/擴散連接試樣的σ-ε曲線Fig.2 σ-ε curve of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy sample

從圖2中可以看出，超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)的TA15鈦合金試樣沒有明顯的屈服階段，其屈服強度 Rp0.2為845.6 MPa。

2.3 疲勞性能

TA15鈦合金超塑成形/擴散連接試樣的疲勞試驗數(shù)據(jù)及試樣破壞情況見表3。

表3 TA15鈦合金超塑成形/擴散連接試樣的疲勞性能Table 3 Fracture properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples

第一組疲勞試驗從最大載荷為0.45Pb的一組試樣開始，5個試樣的疲勞壽命在5萬次至20萬次之間。由于該組試驗的壽命距100萬次差別較大，故將成組試驗最大載荷級別調(diào)整為0.30Pb、0.35Pb、0.40Pb、0.45Pb、0.50Pb5個級別，即將最大載荷為0.55Pb的一組試驗調(diào)整為最大載荷為0.30Pb，然后繼續(xù)試驗。在試驗的過程中，最大載荷為0.35Pb的一組試驗，由于在做完5個試樣的疲勞試驗后，疲勞壽命分散性較大，且發(fā)生了試樣夾持端破壞的現(xiàn)象，因而將最大載荷為0.50Pb的2個試樣調(diào)至0.35Pb一組，繼續(xù)進行試驗。

從表3中可以看出，最大載荷為0.30Pb的一組試樣，全部完成了100萬次的疲勞試驗，試樣未出現(xiàn)裂紋或破壞;最大載荷為0.35Pb的一組試樣，除了兩個在接近100萬次時試驗夾持端破壞外，只有一個在218995次時，在試樣中間部位發(fā)生斷裂，按照表4的成組法試件疲勞壽命統(tǒng)計處理結(jié)果，可以認為其中值疲勞壽命［2］達到100萬次;最大載荷為0.40Pb的一組試驗，其疲勞壽命分散性較大，從8萬多次到100萬次以上，根據(jù)表4的處理結(jié)果，其中值疲勞壽命為286681次;最大載荷為0.45Pb的一組試驗，其疲勞壽命從55392次到196051次，破壞部位基本為試樣的中間部位，其中值疲勞壽命為109093次;最大載荷為0.50Pb的一組試驗，只有3個試樣，疲勞壽命為24883～102276次，中值疲勞壽命為43944次。

表4 成組法試件疲勞壽命統(tǒng)計處理結(jié)果Table 4 Results of statistical treatment for fatigue samples by group method

對成組試件各應(yīng)力水平下疲勞壽命進行了統(tǒng)計處理，并且繪制了成組疲勞試驗的S-N曲線，見圖3。從圖3可以看出，在最大載荷為0.35Pb及以下時，TA15鈦合金超塑成形/擴散連接試驗件的疲勞壽命可以達到100萬次。

2.4 剪切性能

TA15鈦合金超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的剪切性能見表5。

圖3 成組疲勞試件的S-N曲線Fig.3 S-N curve of fatigue samples by group method

從表5中計算得出，剪切試樣的剪切強度τsu平均值為576.2 MPa。按TA15鈦合金超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的抗拉強度Rm為942.9 MPa計算，τsu=61.1%Rm。正常情況下，結(jié)構(gòu)的剪切強度應(yīng)能達到60%Rm，這說明TA15鈦合金超塑成形/擴散連接兩層結(jié)構(gòu)壁板的剪切強度達到了指標的要求。

表5 TA15鈦合金超塑成形/擴散連接試樣的剪切性能Table 5 Shear properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples

3 結(jié)論

(1)TA15鈦合金具有良好的超塑性，可以采用超塑成形/擴散連接工藝用于飛機的承力構(gòu)件上。

(2)TA15鈦合金超塑成形/擴散連接的壁板可以滿足壁板拉伸性能、剪切性能以及疲勞性能的設(shè)計要求。

(3)TA15鈦合金超塑成形/擴散連接拉伸試樣的拉伸強度Rm為942.9 MPa，達到了母材的88.7%，而未達到90%，剪切強度τsu為576.2 MPa，達到了抗拉強度Rm的61.1%，在控制疲勞載荷≤0.35Pb時，試樣有較好的疲勞壽命;后續(xù)應(yīng)繼續(xù)進行TA15鈦合金超塑成形/擴散連接的工藝技術(shù)研究，優(yōu)化其工藝參數(shù)，以使其拉伸強度以及疲勞性能得到進一步提高。

［1］中國航空材料手冊編輯委員會.中國航空材料手冊:第4卷鈦合金 銅合金［M］.2版.北京:中國標準出版社，2002.

［2］高鎮(zhèn)同，熊峻江.疲勞可靠性［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000.