許 平,王 奡,蘇智星
(中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,遼寧 沈陽 110035)
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(qiáng)化機(jī)制是α穩(wěn)定元素Al的固溶強(qiáng)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(qiáng)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(kuò)散連接工藝制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件,而由于其強(qiáng)度極限略高于TC4鈦合金,使得TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接在有強(qiáng)度要求的部件上發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢。
某TA15鈦合金飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜(見圖1),承載較大,對重量等指標(biāo)要求苛刻。為了滿足載荷、重量等多約束的設(shè)計(jì)要求,擬采用超塑成形/擴(kuò)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(jìn)行檢測,探討超塑成形/擴(kuò)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(jī)壁板示意圖Fig.1 Sketch of TA15 titanium alloy aircraft panel
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(kuò)散連接后超塑成形,制備TA15鈦合金壁板。超塑成形/擴(kuò)散連接的設(shè)備為超塑成形機(jī)FSP-750,擴(kuò)散連接主要工藝參數(shù)為:擴(kuò)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(jìn)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(kuò)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(yàn)件,測試TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)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(shí)驗(yàn)過程按照GB/T 228.1—2012執(zhí)行;疲勞試驗(yàn)采用成組法進(jìn)行,試樣共25個,分為5組,每組5個,5組試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)過程按照HB 6736—93執(zhí)行。
實(shí)驗(yàn)在空軍裝備研究院飛機(jī)壽命研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,設(shè)備為美國MTS公司的50 t MTS810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī),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(jì)量程為50 mm,精度為±0.5%(滿量程)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備均經(jīng)過檢驗(yàn)且在有效期內(nèi),精度等指標(biāo)滿足實(shí)驗(yàn)要求。
經(jīng)過超塑成形/擴(kuò)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(jìn)行了化學(xué)銑切,銑切的界面已達(dá)到或超過了擴(kuò)散連接的界面,說明TA15鈦合金壁板的擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)氧化色,擴(kuò)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(kuò)散連接工藝制造的TA15鈦合金壁板質(zhì)量良好。
TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)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(kuò)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(yàn)件經(jīng)過超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)工藝之后的強(qiáng)度損失,對同批次原材料進(jìn)行了拉伸試驗(yàn),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(qiáng)度Rm=1062.5 MPa為參考,經(jīng)過超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)后,試樣的抗拉強(qiáng)度約為原材料的88.7%,雖然超出了壁板Rm≥870 MPa的設(shè)計(jì)要求,但是其強(qiáng)度未達(dá)到原材料的90%(一般而言,設(shè)計(jì)上要求經(jīng)超塑成形/擴(kuò)散連接后,結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到原材料的90%以上),這說明TA15鈦合金經(jīng)過超塑成形/擴(kuò)散連接熱循環(huán)后強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到原材料的90%以上。
超塑成形/擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(qiáng)度 Rp0.2為845.6 MPa。
TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的疲勞試驗(yàn)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(kuò)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(yàn)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(yàn)的壽命距100萬次差別較大,故將成組試驗(yàn)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(yàn)調(diào)整為最大載荷為0.30Pb,然后繼續(xù)試驗(yàn)。在試驗(yàn)的過程中,最大載荷為0.35Pb的一組試驗(yàn),由于在做完5個試樣的疲勞試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)。
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(yàn),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(yàn)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(jì)處理結(jié)果,可以認(rèn)為其中值疲勞壽命[2]達(dá)到100萬次;最大載荷為0.40Pb的一組試驗(yàn),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(yàn),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(yàn),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(jì)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(jìn)行了統(tǒng)計(jì)處理,并且繪制了成組疲勞試驗(yàn)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(kuò)散連接試驗(yàn)件的疲勞壽命可以達(dá)到100萬次。
TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)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(jì)算得出,剪切試樣的剪切強(qiáng)度τsu平均值為576.2 MPa。按TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)試樣的抗拉強(qiáng)度Rm為942.9 MPa計(jì)算,τsu=61.1%Rm。正常情況下,結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度應(yīng)能達(dá)到60%Rm,這說明TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接兩層結(jié)構(gòu)壁板的剪切強(qiáng)度達(dá)到了指標(biāo)的要求。
表5 TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接試樣的剪切性能Table 5 Shear properties of superplastic forming/diffusion bonding TA15 titanium alloy samples
(1)TA15鈦合金具有良好的超塑性,可以采用超塑成形/擴(kuò)散連接工藝用于飛機(jī)的承力構(gòu)件上。
(2)TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)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(jì)要求。
(3)TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)散連接拉伸試樣的拉伸強(qiáng)度Rm為942.9 MPa,達(dá)到了母材的88.7%,而未達(dá)到90%,剪切強(qiáng)度τsu為576.2 MPa,達(dá)到了抗拉強(qiáng)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(jìn)行TA15鈦合金超塑成形/擴(kuò)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(qiáng)度以及疲勞性能得到進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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.