左永基，劉小剛

(南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院， 南京 210016)

鈦合金具有強(qiáng)度好、韌性高、抗疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛[1-3]。鈦合金板料在室溫下的成形特性十分有限，同時(shí)，室溫下鈦合金板的力學(xué)性能和材料流線都具有明顯的各向異性，其室溫成形容易產(chǎn)生多種成形缺陷[4]，因此，鈦合金在高溫下的超塑性成形技術(shù)顯得尤為關(guān)鍵[5-6]。而鈦合金在超塑性變形過程中，要經(jīng)歷高溫循環(huán)和大的塑性變形兩個(gè)過程，其力學(xué)性能必然發(fā)生改變[7]，且研究表明，在實(shí)際工程應(yīng)用中，疲勞破壞為構(gòu)件的主要失效模式，因此，研究鈦合金在超塑性變形后的疲勞性能就顯得尤為重要。

TC4是一種常用的超塑性成形材料，目前國際上對TC4超塑性成形后力學(xué)性能的研究已經(jīng)比較深遠(yuǎn)，歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)國家均投入了大量的資源對材料超塑性進(jìn)行深入研究，目前已進(jìn)入到工業(yè)生產(chǎn)階段[8]。俄羅斯的Mishra等[9]對納米級(jí)TC4低溫超塑性氣脹成形后的試樣進(jìn)行研究，通過掃描電鏡觀察試驗(yàn)，得出晶粒間的缺陷是引起超塑性成形后材料力學(xué)性能下降的一個(gè)主要原因。S.Rhaipu以及T.G.Nieh等的研究表明，材料經(jīng)過超塑性成形拉伸后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能有所下降，而導(dǎo)致力學(xué)性能下降的主要原因是局部空洞的形成和長大[10]。國際上針對TC4超塑性成形前后力學(xué)性能發(fā)生改變的微觀機(jī)理研究較為深入，但多偏向于理論研究，且缺乏對TC4鈦合金在特定超塑性氣脹成形工藝參數(shù)下的疲勞性能研究。

國內(nèi)主要針對超塑成形前后材料的屈服強(qiáng)度、斷后延伸率和彈性模量等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，蔡云等[11]主要針對TC4板材在超塑性成形和擴(kuò)散連接后力學(xué)性能的改變進(jìn)行了研究，并且得出了導(dǎo)致TC4力學(xué)性能改變的主要原因是高溫循環(huán)的作用[12-17]。國內(nèi)一些高校對TC4超塑性成形后的靜力學(xué)性能進(jìn)行了研究，如張學(xué)學(xué)、盧坤林等采用了超塑性拉伸的方式對TC4板材進(jìn)行成形試驗(yàn)，采用雙向拉伸試驗(yàn)，測量分析了成形后零件的力學(xué)性能[18-20]；并且對比分析了試驗(yàn)件在不同變形率下的屈服強(qiáng)度、彈性模量和伸長率的對應(yīng)關(guān)系。但其采用的超塑性拉伸成形方法主要應(yīng)用于筒形件、盒形件等構(gòu)造簡單的零件，且只對TC4在超塑性成形前后的靜強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)對比。

目前國內(nèi)外雖然對TC4材料在超塑性成形前后力學(xué)性能和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了較為廣泛的研究，但關(guān)于TC4鈦合金板材在超塑性氣脹成形后疲勞性能的研究還較少，且不夠深入。針對目前關(guān)于TC4鈦合金超塑性氣脹成形后的疲勞性能還缺乏深入研究這一問題，本文采用試驗(yàn)的方法，在溫度為900 ℃、維持壓力為2.5 MPa的條件下，對TC4板材進(jìn)行超塑性氣脹成形，得到減薄率為30%的超塑性成形板材，且成形后板材厚度分布均勻。通過拉伸疲勞試驗(yàn)，分析對比了TC4原始材料、高溫循環(huán)件和超塑性成形件的疲勞壽命。采用掃描電鏡試驗(yàn)對原始材料、高溫循環(huán)件及超塑性成形件3種狀態(tài)的疲勞斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，通過對比，分析疲勞斷口特征與疲勞壽命之間的定性與定量關(guān)系，從而為TC4鈦合金超塑性氣脹成形件的疲勞壽命預(yù)估提供參考，并為通過疲勞斷口分析對試件的疲勞壽命進(jìn)行定量計(jì)算提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

超塑性氣脹成形試驗(yàn)板材為陜西寶雞鈦業(yè)提供的厚度為2.2 mm的軋制退火TC4板材。超塑性氣脹成形模具材料為不銹鋼。

1.2 模具設(shè)計(jì)

采用氣脹成形的方式對TC4板材進(jìn)行超塑性成形，試驗(yàn)采用的上模具是平板(如圖1(a)所示)，下模具是減薄率為30%的波紋板(如圖1(b)所示)。上下模具的外輪廓尺寸均為260 mm×260 mm，厚度均為35 mm。

在高溫環(huán)境下進(jìn)行超塑性氣脹成形試驗(yàn)，并同時(shí)向鈦合金板中間吹入壓縮的惰性氣體使其變形直至最終貼模。因此，2塊鈦合金板之間的密封性是氣脹成形試驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵因素之一。該套模具設(shè)計(jì)帶有密封筋結(jié)構(gòu)，即在模具平面周沿處設(shè)計(jì)凸筋與凹槽。在高溫環(huán)境下可憑借設(shè)備的壓頭給予壓力，使上下板變形壓緊，發(fā)生擴(kuò)散焊，從而避免板材在高溫高壓狀態(tài)下板邊焊接部位強(qiáng)度不夠而導(dǎo)致板料腔內(nèi)漏氣的情況發(fā)生。下模具實(shí)物如圖2所示。TC4板材超塑性成形后的變形率與模具槽的深度、張角有關(guān)，槽越深則成形后波紋板的變形率越大。

圖1 超塑性成形模具

圖2 超塑性成形模具實(shí)物

試驗(yàn)所用TC4板料厚度為2.2 mm，大小為260 mm×260 mm。通氣管道外徑為10 mm，內(nèi)徑為3 mm。通向爐外的通氣管道使用直徑6 mm的鈦管外面包裹一層不銹鋼，以防止壁內(nèi)部分溫度過高導(dǎo)致鈦管破裂。

1.3 試驗(yàn)方法

超塑性氣脹成形試驗(yàn)過程為：將2塊相同TC4板料與通氣管道的焊接件夾持在上下模具之間，與石墨和壓頭組合放置在ZC-ZK-YL150真空超塑性成形設(shè)備中，組合件如圖3(a)所示。試驗(yàn)時(shí)采用逐級(jí)加壓的方式向2塊焊接在一起的TC4板材吹入氬氣加壓，每升高一段壓力值則維持一段時(shí)間再繼續(xù)加壓，直至內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到2.5 MPa,加壓曲線如圖3(b)所示。成形過程溫度為900 ℃，氣脹成形設(shè)備及原理示意圖如圖4所示。

圖3 加壓曲線及組合件示意圖

圖4 超塑性氣脹成形原理示意圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 超塑性氣脹成形性能研究

本試驗(yàn)可以得到上平板和下波紋板，如圖5(a)、(b)所示，平板為僅經(jīng)歷了高溫循環(huán)而沒有發(fā)生形變的試件，即減薄率為0%。波紋板為超塑性成形件，減薄率為30%?，F(xiàn)將這3種狀態(tài)：TC4原始材料、高溫循環(huán)件和超塑性成形件分別命名為狀態(tài)一、狀態(tài)二和狀態(tài)三。3種對應(yīng)狀態(tài)如表1所示。

圖5 減薄率為0%和30%成形效果圖

狀態(tài)一狀態(tài)二狀態(tài)三TC4原始材料高溫循環(huán)件超塑性成形件

為考察超塑性氣脹成形后板材變形是否均勻，對成形后的波紋板不同位置處的厚度進(jìn)行測量，如圖6中標(biāo)示波紋板的位置，采用線切割方式割開波紋板，測量每個(gè)位置的平均厚度。方法是為每個(gè)編號(hào)位置的波紋板選取6個(gè)點(diǎn)測量厚度，最終得到的平均厚度為取6個(gè)點(diǎn)厚度的平均值，得到的減薄率分布如圖7所示。

圖6 減薄率測量位置示意圖

圖7 波紋板各位置減薄率分布圖

由圖7可以看出，除少數(shù)位置外，波紋板的減薄率基本都在目標(biāo)減薄率范圍以內(nèi)。其中位置2和位置12由于模具頂部尺寸較高，側(cè)邊在變形時(shí)與TC4板材最先貼合，導(dǎo)致減薄率較大。所測量12個(gè)位置的平均減薄率為30.61%,與設(shè)計(jì)目標(biāo)30%相對誤差較小，超塑性氣脹成形效果理想。

2.2 疲勞性能研究

為得到TC4板材在3種狀態(tài)下的疲勞-壽命曲線，對其進(jìn)行拉伸疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)在MTS809疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，超塑性成形試驗(yàn)件選取減薄率較為均勻的波紋板側(cè)面。試驗(yàn)所用疲勞件應(yīng)使其表面光滑，沒有肉眼可見劃痕。確定試驗(yàn)設(shè)備正常后啟動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)，同時(shí)按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的載荷級(jí)和波形對設(shè)備程序進(jìn)行設(shè)定。預(yù)熱完成后將試件安裝好并開始試驗(yàn)。

試驗(yàn)溫度為室溫，加載頻率10 Hz，載荷類型是軸向拉伸正弦波，最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之比0.1。通過材料抗拉強(qiáng)度確定疲勞載荷大小，3種狀態(tài)下材料的抗拉強(qiáng)度通過靜拉伸試驗(yàn)獲得，分別為σb1=1 063 MPa，σb2=901 MPa,σb3=913 MPa。原始材料進(jìn)行3個(gè)載荷級(jí)，分別為0.88σb1、0.7σb1、0.61σb1。高溫循環(huán)件進(jìn)行4個(gè)載荷級(jí)，分別為0.79σb2、0.7σb2、0.61σb2和0.52σb2。超塑性成形件進(jìn)行4個(gè)載荷級(jí)，分別是0.79σb3、0.7σb3、0.61σb3和0.52σb3。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，描繪最大應(yīng)力σa和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N的散點(diǎn)，運(yùn)用最小二乘法擬合直線，繪制3種狀態(tài)下的疲勞曲線。將3種狀態(tài)下的疲勞壽命數(shù)據(jù)繪制在一張圖中。圖8所示是TC4在3種狀態(tài)下的疲勞-壽命曲線。

圖8 3種狀態(tài)下TC4的疲勞壽命曲線

由圖8可知，當(dāng)最大應(yīng)力相同時(shí)，與原始材料相比，TC4經(jīng)過高溫循環(huán)和超塑性成形后，其同等載荷下的疲勞壽命顯著下降，尤其在高壽命區(qū)更為明顯。通過比較可知，在低壽命區(qū)下降約16.8%，在高壽命區(qū)下降約27.2%。此外，可以看到TC4經(jīng)過高溫循環(huán)以及經(jīng)過超塑性成形的試樣疲勞壽命非常接近。這說明對TC4板件疲勞性能影響較大的是高溫循環(huán)過程，而超塑性變形對疲勞性能的影響比較小。

同時(shí)可以注意到，超塑性成形后的TC4板件的疲勞性能相對于只經(jīng)過高溫循環(huán)的TC4板件在高壽命區(qū)疲勞性能略有改善。這可以理解為，TC4板件經(jīng)過高溫循環(huán)后由于晶粒長大導(dǎo)致疲勞性能下降，而在發(fā)生變形后部分晶粒破碎細(xì)化，一定程度上晶粒尺寸減小，材料內(nèi)部應(yīng)力集中變小，從而使疲勞性能得到優(yōu)化。

根據(jù)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，分別選取3種狀態(tài)下、最大應(yīng)力近似相等的2組疲勞試件進(jìn)行斷口形貌觀察，每組均包括3種狀態(tài)。將6個(gè)試件進(jìn)行編號(hào)，原始材料編號(hào)分別為狀態(tài)一0-1和狀態(tài)一0-2，高溫循環(huán)件編號(hào)分別為狀態(tài)二1-1和狀態(tài)二1-2，超塑性成形件編號(hào)分別為狀態(tài)三2-1和狀態(tài)三2-2。3種狀態(tài)下疲勞斷口宏觀圖像如圖9所示，放大倍數(shù)為25倍。在左側(cè)邊緣較明亮處是疲勞源，臨界疲勞裂紋所包圍內(nèi)側(cè)為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，外側(cè)為快速擴(kuò)展區(qū)。

圖9 3種狀態(tài)下TC4疲勞斷口形貌

從宏觀斷口觀察可知，斷口很不平整，所以是塑性斷裂。3種狀態(tài)下，疲勞源均分布在試件的單側(cè)表面，疲勞源是由裂紋的萌生和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展第一階段組成的，裂紋形成時(shí)，不斷地張開閉合，這就導(dǎo)致了微觀結(jié)構(gòu)上材料的磨損，所以疲勞源在宏觀上觀察比較光亮。

材料的疲勞壽命是由裂紋形成壽命和裂紋擴(kuò)展壽命組成，如式(1)所示。

Nf=Ni+Np

(1)

式中：Ni表示裂紋的形成壽命，可以根據(jù)微觀觀測的裂紋長度a0來判斷；Np是裂紋擴(kuò)展區(qū)壽命。圖10為各狀態(tài)下疲勞源通過電鏡掃描放大200倍的圖像，紅色標(biāo)注為疲勞源裂紋。

圖10 3種狀態(tài)下TC4疲勞源形貌

比較3種狀態(tài)疲勞源裂紋長度，通過3組顯微圖片觀察，可以看出，狀態(tài)二裂紋總長度要小于狀態(tài)一，狀態(tài)三裂紋長度略大于狀態(tài)二但仍小于狀態(tài)一，其疲勞壽命與試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢相符，但Ni并不是決定疲勞壽命的唯一因素，還要進(jìn)一步分析3種狀態(tài)裂紋的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)大小。疲勞裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)是由疲勞源裂紋產(chǎn)生后，在交變應(yīng)力作用下，裂紋沿著滑移帶向材料內(nèi)部擴(kuò)展。在該區(qū)域，一般會(huì)觀測到明顯的疲勞條帶，穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶數(shù)目即可表示疲勞循環(huán)次數(shù)。

圖11為3種狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)被放大200倍下電鏡觀察圖像，通過觀察，比較TC4在3種狀態(tài)下裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)的疲勞條帶數(shù)目，狀態(tài)一即原始材料的疲勞條帶數(shù)目明顯大于狀態(tài)二和狀態(tài)三，說明原始材料的疲勞壽命要優(yōu)于狀態(tài)二、狀態(tài)三。再對比狀態(tài)二和狀態(tài)三，狀態(tài)三的疲勞條帶數(shù)目要稍高于高溫循環(huán)件，這也與狀態(tài)三的疲勞壽命略高于狀態(tài)二相符。

通過斷口宏觀特征(臨界裂紋的長度)亦可推斷出試件疲勞壽命，疲勞擴(kuò)展區(qū)的臨界裂紋在斷口的宏觀照片中可以清晰觀察到，其長度用ac表示，因?yàn)閍c又與應(yīng)力幅值以及Nf相關(guān)，所以Nf與ac可以建立定量數(shù)值關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[18]對不同應(yīng)力下200多個(gè)斷口件進(jìn)行的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出了lgNf和lgac的函數(shù)關(guān)系。其中a、b的值與表面的粗糙度以及具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)有關(guān)。

lgNf=a+blgac

(2)

根據(jù)式(2)可知，臨界疲勞裂紋長度與疲勞壽命是直接對應(yīng)的，一般認(rèn)為試驗(yàn)應(yīng)力越大，則臨界疲勞裂紋越短，本試驗(yàn)對比3種狀態(tài)下相同最大應(yīng)力，所以臨界疲勞裂紋的長度反映的僅是不同狀態(tài)下材料性質(zhì)的變化?？梢允褂霉浪愕姆绞剑朴?jì)算疲勞臨界裂紋的長度。因?yàn)樗性嚰挾纫欢?，則穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)面積越大，表面臨界裂紋越長，所以可以用臨界裂紋與左邊緣所圍成的類似三角形區(qū)域的高來近似代表臨界裂紋長度ac。如圖12所示為放大25倍的斷口形貌圖，分別測量出圖中小段的長度作為比例尺線段以及紅色長線段的長度，紅色長線段即近似表示疲勞臨界裂紋長度。紅色長線段在選取時(shí)，都以左端為起點(diǎn)，以表面顏色較深且比較完整的臨界裂紋為終點(diǎn)。表2為6個(gè)試驗(yàn)件的臨界裂紋近似長度及疲勞壽命對應(yīng)關(guān)系。

圖11 3種狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)形貌

圖12 疲勞臨界裂紋長度測量圖

試件編號(hào)臨界裂紋長度ac/mmlgac疲勞壽命NflgNf0-138.71.59159 0905.200-232.31.5156 0074.711-125.0 1.4031 1624.491-221.31.3321 2704.332-126.01.4240 3024.612-223.71.3722 0194.34

根據(jù)近似計(jì)算可知，在相同載荷級(jí)的循環(huán)載荷下原始材料的臨界疲勞裂紋最長，高溫循環(huán)后試件的臨界疲勞裂紋最短，超塑性變形后試件臨界疲勞裂紋長度略長于只經(jīng)過高溫循環(huán)后的材料但小于原始材料，根據(jù)表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制lgac與lgNf的擬合曲線,如圖13所示，并得到擬合公式(3)。

圖13 lgac與lgNf擬合曲線

(3)

由式(3)可看出，試件疲勞斷口的臨界疲勞裂紋長度與試件的疲勞壽命成正相關(guān)，根據(jù)表2可知，相同載荷下3種狀態(tài)試件的疲勞臨界裂紋長度由大到小順序?yàn)樵疾牧?、超塑性變形件和高溫循環(huán)件。因此3種狀態(tài)試件的疲勞壽命由大到小的順序亦是如此，這一規(guī)律與拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果相符。

3 結(jié)論

1) 在溫度為900 ℃、壓力為2.5 MPa條件下，采用逐級(jí)加壓的方式對TC4板材進(jìn)行超塑性氣脹成形試驗(yàn)，得到了減薄率為30%的波紋板試件，實(shí)際測量平均減薄率為30.61%，且試件各個(gè)位置變形量均勻，試驗(yàn)效果理想。

2) 與原始材料相比，高溫循環(huán)件和超塑性成形件的疲勞壽命均有明顯下降，而超塑性成形試件疲勞壽命與高溫循環(huán)件相比有小幅提升，所以高溫循環(huán)過程是導(dǎo)致TC4板材疲勞力學(xué)性能下降的主要原因。

3) TC4在高溫循環(huán)后疲勞性能明顯下降，超塑性成形后疲勞性能略有改善，這一結(jié)果也與疲勞拉伸試驗(yàn)結(jié)果相符,且所得到的擬合公式可根據(jù)疲勞臨界裂紋長度定量計(jì)算出材料疲勞壽命，為通過斷口觀察對材料的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測奠定了基礎(chǔ)。