简介概要

熔滴对TB6钛合金高周疲劳性能影响

来源期刊：稀有金属2009年第3期

论文作者：刘德林刘昌奎黄利军黄旭王清瑞

关键词：TB6钛合金; 烧伤熔滴; 性能; 高周疲劳;

摘要：利用典型应力对比试验,研究了烧伤熔滴对,TB6钛合金旋转弯曲疲劳和轴向拉.拉疲劳的影响,并分析了烧伤熔滴的形貌和疲劳试样的断口特征.结果表明:熔滴处易形成富氧和富氮层脆性相,在应力作用下极易开裂成为疲劳源;另外,熔滴会导致基体组织发生变化,对基体一般产生第二类烧伤,破环试样表面的完整性,从而加速疲劳试样破坏,也会成为断裂源,显著降低其高周疲劳性能,对TB6钛合金高周疲劳有严重影响.

稀有金属 2009,33(03),295-298

熔滴对TB6钛合金高周疲劳性能影响

黄利军黄旭刘昌奎刘德林

北京航空材料研究院钛合金研究室

中国航空工业失效分析中心

摘要：

利用典型应力对比试验, 研究了烧伤熔滴对TB6钛合金旋转弯曲疲劳和轴向拉-拉疲劳的影响, 并分析了烧伤熔滴的形貌和疲劳试样的断口特征。结果表明:熔滴处易形成富氧和富氮层脆性相, 在应力作用下极易开裂成为疲劳源;另外, 熔滴会导致基体组织发生变化, 对基体一般产生第二类烧伤, 破环试样表面的完整性, 从而加速疲劳试样破坏, 也会成为断裂源, 显著降低其高周疲劳性能, 对TB6钛合金高周疲劳有严重影响。

关键词：

TB6钛合金;烧伤熔滴;性能;高周疲劳;

中图分类号： TG146.23

收稿日期：2008-12-25

Effect of Droplet on High Cycle Fatigue Property of TB6 Titanium Alloy

Abstract：

Effect of burning droplet on high cycle fatigue of TB6 titanium alloy was studied.Moreover, patterns of burning droplets and fracture characteristic of the fatigue samples were analyzed.The results showed that burning droplets could form oxygen-enriched and nitrogen-enriched layers, which were harmful to the alloy.Besides, burning droplets could cause matrix change to accelerate fatigue samples to break so as to reduce the high cycle fatigue property of TB6 titanium alloy greatly.

Keyword：

TB6 titanium alloy;burning droplet;property;high cycle fatigue;

Received： 2008-12-25

TB6钛合金是一种为适应损伤容限设计原则而产生的具有高结构效益、高可靠性能和低成本等特征的近β型钛合金, 由于其优异的锻造性能, 国外已广泛应用于航空飞行器结构件 ^[1,2,3,4,5] 。在对带有烧伤熔滴的钛合金叶片进行室温振动疲劳试验时发现钛合金叶片对熔滴烧伤十分敏感, 即使烧伤位置不在最大振动应力部位也足以诱发裂纹萌生 ^[6] 。因此, 开展对TB6钛合金的失效与预防措施研究具有重要意义。本文利用典型应力对比试验, 研究了烧伤熔滴对TB6钛合金旋转弯曲疲劳和轴向拉-拉疲劳的影响, 分析了疲劳试样的断口特征, 对TB6钛合金的实际应用具有参考意义。

1 实验

为了制得带有烧伤熔滴的试样, 将旋转弯曲疲劳试样和轴向拉-拉疲劳试样的工作段中间部分暴露在打磨砂轮的火花下, 其余部分用电工绝缘胶带保护。处理后扫描电镜下观察是否粘附有熔滴及熔滴形貌。其中, 旋转弯曲试验在SER悬臂式旋转弯曲疲劳试验机上进行, 转速5000 r·min^-1, 载荷460 MPa, 应力比R=-1。轴向拉-拉疲劳试验在PLG-100C电磁共振轴向加载试验机上进行, 最大载荷630 MPa, 应力比R=0.1, 频率108 Hz。

为了进行对比, 同时也进行未经过熔滴处理的旋转弯曲疲劳和轴向拉-拉疲劳试验, 试验条件和带有熔滴试样的相同。

2 结果与讨论

2.1 疲劳试验结果

旋转弯曲试验结果和轴向加载高周疲劳试验结果分别见表1和2。

表1 旋转弯曲疲劳试验结果

Table 1 Results of rotary bending fatigue tests

Sample numbering	Surface droplet state	Maximum load/MPa	Stress ratio R	Cycle index (cycle)
1	With droplet	460	-1	3.0×10⁴
2	With droplet	460	-1	2.5×10⁴
3	Without droplet	460	-1	>1.01×10⁷
4	Without droplet	460	-1	>1.01×10⁷

表2 轴向加载高周疲劳试验结果

Table 2 Results of axial high cycle fatigue tests

Sample numbering	Surface droplet state	Maximum load/MPa	Stress ratio R	Cycle index (cycle)
5	With droplet	630	0.1	3.8×10⁴
6	With droplet	630	0.1	4.7×10⁴
7	Without droplet	630	0.1	>1.00×10⁷
8	Without droplet	630	0.1	9.367×10⁶

从表1中可以看到, 两根不带有熔滴的试样, 其旋转弯曲疲劳循环次数均超过10⁷, 而带有熔滴的两根试样其旋转弯曲疲劳循环次数均在10⁴量级; 同样, 从表2可以看到, 在轴向加载高周疲劳试验中, 两根未带熔滴试样循环次数超过或接近10⁷, 而带有熔滴的两根试样其循环次数在10⁴量级。由此可见, 烧伤熔滴可以大大降低TB6钛合金的旋转弯曲疲劳和轴向加载疲劳的循环次数, 严重影响其高周疲劳寿命。

2.2 试样表面及断口形貌观察

熔滴处理前试样表面没有突出的熔滴特征, 如图1 (a) 所示; 熔滴处理后试样表面粘附有大量的熔滴, 见图1 (b) 和 (c) 。

为了进一步研究熔滴对高周疲劳性能的影响, 利用扫描电镜对带有熔滴的旋弯试样进行了观察, 试样1和2侧向观察其疲劳源分别见图2和3。从图2和3可见明显的以熔滴为中心的放射特征, 表明两根试样的断裂源均为表面熔滴。

图1 未经熔滴处理和经过熔滴处理的试样表面

Fig.1 Surface characteristics of the samples with and without burning droplets

(a) Surface characteristic of the sample without burning droplet; (b) Surface characteristic of the sample with burning droplet; (c) Typical burning droplet

对轴向高周拉-拉试样利用扫描电镜观察, 熔滴处理后的试样5和试样6疲劳源区见图4 (a) 和图5。试样5可以看到典型的熔滴形貌, 裂纹从熔滴萌生; 试样6熔滴扁平, 没有试样5典型, 但从试样6侧向观察其疲劳源, 见图5 (b) , 也可以清楚看到裂纹从熔滴萌生。两根试样都可以见到明显的以熔滴为中心的放射特征。裂纹扩展区可以见到疲劳条带, 见图4 (b) 。瞬断区呈现韧窝断裂特征, 见图6。未经过熔滴处理的试样8在接近10⁷次时断裂, 断口分析表明为正常的疲劳断裂, 裂纹起源于试样近表面, 见图7。

图4 试样5疲劳源区和疲劳条带

Fig.4 Fatigue source and fatigue strips of sample 5

(a) Fatigue source area and expansion area of sample 5; (b) Fatigue strips of expansion area of sample 5

2.3 熔滴成分分析

对试样2的熔滴处进行了成分分析, 成分能谱见图8。进行归一化处理得到其成分, 见表3。可以见到熔滴的成分O元素含量远远超过基体所要求范围, 极大地增加了脆性相形成的趋势, 加速疲劳破坏。

表3 试样2 熔滴处成分/%

Table 3 Droplet component of sample 2/%

Elements	Content/mass fraction	Content/atom fraction
O	20.34	43.43
Ti	73.97	52.76
V	5.69	3.81

图8 试样2熔滴处成分能谱

Fig.8 Energy spectrum of droplet component of sample 2

2.4 讨论与分析

通过有无熔滴试样的疲劳性能测试和对疲劳源区形貌观察及熔滴成分分析可知, 熔滴对钛合金高周疲劳性能有严重影响。这类钛合金熔滴通常在空气中与氧、氮等间隙元素产生化学反应, 形成氧、氮间隙化合物, 成为富氧、氮层, 为脆性相, 在应力作用下极易开裂成为疲劳源; 另一方面, 熔滴会导致基体组织发生变化, 对基体一般产生第二类烧伤, 破坏了试样表面的完整性, 突出位置出现较大的应力集中, 从而明显地降低构件的疲劳抗力, 导致疲劳裂纹早期萌生 ^[6,7] 。