文章编号：1004-0609(2013)S1-s0462-05

热等静压对TC4钛合金薄壁铸件疲劳裂纹扩展特性的影响

冯  新¹，彭  霜¹，马英杰¹，雷家峰¹，吴鑫华²，崔玉友¹，杨  锐¹

(1．中国科学院 金属研究所，沈阳 110016；

2. Department of Materials Engineering, Monash University, Melbourne 3800, Australia)

摘  要：对热等静压处理前后的TC4薄壁铸件进行疲劳裂纹扩展速率测试。利用光学显微镜和扫描电镜观察材料的显微组织、疲劳断口形貌和疲劳裂纹扩展路径。结果表明：经热等静压后，疲劳裂纹扩展速率增大，主要是因为α板条和集束尺寸的增加减少了集束界面对裂纹的阻碍作用。

关键词：TC4；热等静压；裂纹扩展速率；晶体取向

中图分类号：TG146.2　　     文献标志码：A

Influences of hot isostatic pressing on fatigue crack propagation of TC4 titanium alloy thin wall casting

FENG Xin¹, PENG shuang¹, MA Ying-jie¹, LEI Jia-feng¹, WU Xin-hua², CUI Yu-you¹, YANG Rui¹

(1. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016;

2. Department of Materials Engineering Monash University, Melbourne 3800, Australia)

Abstract: Fatigue crack growth rates testings were carried out on as-cast TC4 thin wall structure component before and after hot isostatic pressing (HIP). The microstructure, fatigue fracture fractography and crack paths were observed by means of optical microscopy and scanning electron microscopy. The results show that fatigue crack growth rate increases after HIPping, which is mainly because the resistance of colony interfaces to crack growth is reduced as a result of the increase of the size of α platelets and colonies.

Key words: TC4; hot isostatic processing; fatigue crack growth rate; crystal orientation

钛合金具有高比强度、高比刚度及高韧性等优点，因此大量应用到飞机机体、结构体和发动机零件等领域。TC4合金是目前应用最广泛的钛合金之一。由于钛合金材料成本高，且通过机械加工、锻造和焊接等方法加工比较困难，在一定程度上限制其进一步推广应用。采用精密铸造技术则可以提高钛合金材料的利用率，降低成本^[1]。目前，大型、薄壁、整体精密钛合金铸件制造已成为航空用钛合金熔模精密铸造技术的发展趋势。但是，钛合金活性高，铸造工艺复杂，影响因素多，因而铸件内部容易产生疏松、气孔等缺陷，这些缺陷会影响铸件性能，成为失效的隐患。生产中常采用热等静压技术消除这些缺陷，确保铸件质量^[2]。

目前对钛合金铸件的研究主要集中于铸造工艺和缺陷控制，而对钛合金薄壁铸件的疲劳性能研究较少。本研究选取薄壁机匣TC4钛合金铸件为研究对象，对比TC4钛合金在铸态和热等静压态的显微组织特征，研究两种状态下合金的疲劳裂纹扩展行为。

1 实验

1.1 实验材料

实验材料取自熔模铸造TC4薄壁铸件，其尺寸为d 60 cm×77 cm，如图1所示。分别对热等静压前后的铸件进行疲劳裂纹扩展实验。在图1所示薄壁上的A区切取部分试样后进行热等静压处理，加热温度为920 °C，氩气压力为150 MPa，保温保压时间为2 h。

图1  TC4钛合金薄壁机匣铸件简图

Fig. 1  Schematic diagram of thin-wall engine casing of TC4 casting

表１  铸造TC4合金热等静压前后的力学性能

Table 1  Mechanical properties of TC4 castings before and after HIPping

1.2 实验方法

依据GB/T 6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法，在MTS疲劳试验机上进行试验，疲劳裂纹扩展实验采用W=30 mm、B=3 mm的紧凑拉伸试样(如图2所示)，载荷频率f=5 Hz，应力比R=0.1。而后利用AXiovert 200-MAT光学显微镜观察裂纹扩展路径，利用Nova NanoSEM430扫描电镜和Oxford channel five软件对裂纹边部进行背散射电子衍射测试分析，并利用岛津SSX-55扫描电镜观察断口微观形貌。

图2  CT试样尺寸

Fig. 2  Dimensions of CT specimen (Unit: mm)

2结果与分析

2.1 热等静压对疲劳裂纹扩展速率的影响

图3所示为ZTC4和HZTC4的显微组织，可以看出两种铸件均为魏氏组织，都由片状α+片间β+晶界α组成。由于铸造为薄壁机匣，铸态组织冷却速度快，α片层和集束均较小。经热等静压后，即在高温长时间保温后，片状α相和集束宽化并长大，合金组织趋于均匀稳定。

图3 铸造TC4钛合金热等静压前后的微观组织

Fig. 3  Optical microstructures of TC4 alloy

表1所列为TC4热等静压前后的力学性能，可以看出，经热等静压后，TC4的屈服强度、抗拉强度和塑性均略有提高。这是由于热等静压后组织宽化，铸造残余应力得到不同程度的消除。

对两种组织进行疲劳裂纹扩展速率测试，发现两种组织获得的疲劳裂纹扩展曲线趋势大体一致(见图4)。TC4的裂纹扩展速率略高于ZTC4，主要是因为随着α片层和集束尺寸的增大，疲劳裂纹扩展的有效滑移距离增大，路径曲折程度降低，减少了扩展所需的能量。当裂纹长度较短时，两者差别略大，说明短裂纹受周围组织影响较大。另外，从疲劳裂纹扩展速率曲线可以看出，数据点较为分散，这是由魏氏组织裂纹扩展路径较为曲折所造成的。

图4  TC4疲劳裂纹扩展速率曲线

Fig. 4  Fatigue crack growth rate curves of TC4 alloy

2.2 裂纹扩展路径分析

通过观察疲劳裂纹扩展路径(见图5)可以发现，疲劳裂纹多是沿α/β界面开裂或与片层呈一定角度扩展。这是由于疲劳裂纹扩展对合金组织结构特别敏感，裂纹根据周围的组织特征选择在晶界或集束界面等消耗能量最低的区域扩展^[3]，或选择最易于扩展的位错滑移方向扩展。裂纹沿α/β界面扩展，主要是因为两相界面处的结合力低于α片层内部，导致界面成为裂纹扩展薄弱区域^[4]。裂纹与片层方向呈一定角度的方向扩展，与应力和片层方向的夹角和裂纹尖端组织晶体滑移系有关。图6所示为疲劳裂纹扩展路径一侧的EBSD分析结果，将部分α集束的3D晶体取向图及相应集束编号标注。从图中可以看出，图6(a)中的A集束和图6(b)中的D、G集束主要沿平行柱面滑移开裂，而图6(b)中E集束主要沿基面滑移方向开裂。

BANTOUNAS等^[5]指出，疲劳加载过程中，单个集束中滑移系的开动主要取决于两个因素：Schmid因子和开动滑移系所需要的临界剪切应力。对于密排六方结构，基面滑移系、柱面滑移系和锥面滑移系所需的临界剪切应力比为1:1:2.64。所以，基面和柱面滑移系易于开动。在同一集束中，裂纹既可以沿基面也可以沿柱面滑移系方向扩展，如图6(a)中的B集束和图6(b)中的G集束。在图6(a)的B集束中，裂纹沿平行柱面扩展一段距离后，转向沿平行基面扩展。可见滑移系对裂纹扩展方向有很大的影响。而图6(b)中F集束裂纹不平行平滑移系方向，可能是α/β界面强度低，或者是两侧的G集束先于F集束沿滑移系开裂，导致裂纹没有选择沿滑移系方向扩展。当应力方向不利于滑移系开动时，或两个晶粒内裂纹面间角过大时^[6]，裂纹也会倾向于沿α/β界面或晶界扩展。