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准β热处理工艺对TC4-DT钛合金裂纹扩展行为的影响

来源期刊：稀有金属2017年第7期

论文作者：李静朱知寿王新南费跃商国强祝力伟

文章页码：745 - 750

关键词：TC4-DT钛合金;准β热处理;保温时间;加热温度;裂纹扩展速率;

摘要：研究了准β热处理工艺窗口参数（保温时间和加热温度）对损伤容限型TC4-DT钛合金的疲劳裂纹扩展行为的影响,并采用金相显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）从显微组织、裂纹扩展路径及断口形貌进行了分析对比。结果表明:随着保温时间从5 min延长至15 min,原始β晶粒尺寸从130μm增大到230μm,转变点处ΔKt由17.5 MPa·m^1/2增大至19.4 MPa·m^1/2,当10 MPa·m^1/2≤ΔK≤20 MPa·m^1/2的低应力范围,裂纹扩展速率降低;随着加热温度从988℃升高至998℃,原始β晶粒尺寸从130μm增大至240μm,转变点处ΔKt由17.5 MPa·m^1/2增大至18.0 MPa·m^1/2,转折点前的裂纹扩展区的裂纹扩展速率降低;当温度继续升高至1008℃时,原始β晶粒尺寸增大至400μm,转折点处ΔKt增大至20.5 MPa·m^1/2,裂纹扩展速率在转折点附近降低,但在ΔK≥20.5 MPa·m^1/2的较大应力区域时,裂纹扩展速率无明显变化;温度升高或保温时间延长,裂纹扩展路径曲折度增加,二次裂纹数量增多、深度增加,断口表面粗糙度降低。

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网络首发时间: 2016-07-07 16:14

稀有金属 2017,41(07),745-750 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy15112001

准β热处理工艺对TC4-DT钛合金裂纹扩展行为的影响

李静朱知寿王新南费跃商国强祝力伟

北京航空材料研究院中航工业先进钛合金航空科技重点实验室

摘要：

研究了准β热处理工艺窗口参数 (保温时间和加热温度) 对损伤容限型TC4-DT钛合金的疲劳裂纹扩展行为的影响, 并采用金相显微镜 (OM) 和扫描电镜 (SEM) 从显微组织、裂纹扩展路径及断口形貌进行了分析对比。结果表明:随着保温时间从5 min延长至15 min, 原始β晶粒尺寸从130μm增大到230μm, 转变点处ΔKt由17.5 MPa·m^1/2增大至19.4 MPa·m^1/2, 当10 MPa·m^1/2≤ΔK≤20 MPa·m^1/2的低应力范围, 裂纹扩展速率降低;随着加热温度从988℃升高至998℃, 原始β晶粒尺寸从130μm增大至240μm, 转变点处ΔKt由17.5 MPa·m^1/2增大至18.0 MPa·m^1/2, 转折点前的裂纹扩展区的裂纹扩展速率降低;当温度继续升高至1008℃时, 原始β晶粒尺寸增大至400μm, 转折点处ΔKt增大至20.5 MPa·m^1/2, 裂纹扩展速率在转折点附近降低, 但在ΔK≥20.5 MPa·m^1/2的较大应力区域时, 裂纹扩展速率无明显变化;温度升高或保温时间延长, 裂纹扩展路径曲折度增加, 二次裂纹数量增多、深度增加, 断口表面粗糙度降低。

关键词：

TC4-DT钛合金;准β热处理;保温时间;加热温度;裂纹扩展速率;

中图分类号： TG166.5

作者简介：李静 (1986-) , 女, 山西人, 硕士, 工程师, 研究方向:损伤容限型钛合金;E-mail:tjulijing@126.com;;朱知寿, 研究员;电话:010-62496635;E-mail:zhuzzs@126.com;

收稿日期：2015-11-25

基金：国家重大材料攻关项目 (JPPT-125-GJGG-07-02) 资助;

Fatigue Crack Propagation Behavior of TC4-DT Alloy with Quasi-β Heat Treatment

Li Jing Zhu Zhishou Wang Xinnan Fei Yue Shang Guoqiang Zhu Liwei

Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Titanium Alloys of Aviation Industry Corporation, Beijing Institute of Aeronautical Materials

Abstract：

Influence of holding time and heating temperature of quasi-β heat treatment on fatigue crack propagation behavior of TC4-DT alloy was studied. Microstructure, fatigue crack propagating path and morphology were observed by metallurgical microscope (OM) and scanning electron microscope (SEM) . When the heating time increased from 5 min to 15 min, the β grain size increased from 130 to 230 μm, the value of the turning point ΔKtincreased from 17. 5 MPa·m^1/2to 19. 4 MPa·m^1/2, and while the fatigue crack propagation rate decreased. When heating temperature increased from 988 to 998 ℃, the β grain size increased from 130 to 240 μm, the value of ΔKtincreased from 17. 5 to 18. 0 MPa·m^1/2, fatigue crack propagation rate decreased in the condition of ΔK≤ΔKt. When heating temperature increased from 998 to 1008 ℃, the β grain size increased to 400 μm, the value of ΔKtincreased to 20. 5 MPa·m^1/2, fatigue crack growth rate decreased nearby ΔKt. The crack propagation path became more tortuous, secondary crack became more and deeper, the roughness of fracture surface decreased when temperature and holding time increased.

Keyword：

TC4-DT alloy; quasi-β heat treatment; holding time; heating temperature; fatigue crack growth rate;

Received： 2015-11-25

TC4-DT钛合金作为典型的中强度高损伤容限型钛合金在国内外新一代飞机上得到了充分验证和广泛应用^[1,2,3,4,5], 而且能够满足新一代飞机长寿命和高可靠性设计的要求, 已成为新一代飞机关键承力构件的主干材料。

疲劳裂纹扩展速率 (da/d N, a为裂纹扩展量, N为循环次数) 作为损伤容限性能的重要指标之一直接反应了材料或构件的扩展规律及扩展特征, 是研究损伤和断裂失效机制的最直观的途径, 因此, 疲劳裂纹扩展规律的研究在解决材料的定寿和延寿问题方面具有重要的工程实用意义。TC4-DT钛合金通过准β热处理工艺获得的片层组织具有较低的疲劳裂纹扩展速率, 因此, 深入研究准β热处理工艺参数对疲劳裂纹扩展规律的影响规律具有重要的参考意义。

1 实验

试验用原材料为TC4-DT钛合金 (相变点温度为978℃) 经两相区锻造和准β热处理后制成25mm厚锻件。热处理试验在控温精度为±3℃的箱式电阻炉中进行, 其工艺参数如表1所示。疲劳裂纹扩展试验采用紧凑拉伸 (CT) 试样, 取样方向为T-L方向, 测试按照GB/T 6398-2000标准要求, 试验条件为室温 (23℃) 、空气环境, 测定的项目为恒幅 (应力比R=0.1, 加载频率f=10 Hz) 。并采用金相显微镜 (OM) 和扫描电镜 (SEM) 对合金的微观组织、断口形貌和裂纹扩展路径进行了观察。分析了准β热处理保温时间和加热温度对TC4-DT钛合金的显微组织、裂纹扩展速率和扩展路径的影响。

表1 TC4-DT钛合金的不同热处理工艺Table 1Different heat treatment process parameters of TC4-DT alloy 下载原图

AC:air cooling

表1 TC4-DT钛合金的不同热处理工艺Table 1Different heat treatment process parameters of TC4-DT alloy

2 结果与讨论

2.1 热处理工艺对合金显微组织的影响

图1为TC4-DT钛合金经不同准β热处理工艺后的显微组织。由图1可见, 合金经准β热处理后的微观组织为片层组织特征, 具有较大的β晶粒, 在β晶粒内存在不同取向的由α片层构成的α集束。由图1 (a~c) 对比可知, 随着保温时间的延长, 原始β晶粒尺寸从130μm增大至230μm;由图1 (a, d, e) 可知, 加热温度升高, 原始β晶粒尺寸从130μm增大至400μm。由于疲劳裂纹在原始β晶粒组织中扩展时具有曲折的扩展路径并形成粗糙的断口, 曲折的疲劳裂纹扩展路径不仅能够降低疲劳裂纹沿与外力垂直方向的扩展距离, 而且增加了裂纹前段的闭合程度, 而这些均能有效地降低da/d N^[6,7]。因此, 保温时间的延长和加热温度的升高可引起合金的晶粒尺寸的增大, 并有效地降低疲劳裂纹的扩展速率。

图1 不同热处理工艺后TC4-DT钛合金的显微组织Fig.1 Micro stuctures of TC4-DT alloy with different heat treatment parameters

(a) 988℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (b) 988℃/10 min, AC+730℃/2 h, AC; (c) 988℃/15 min, AC+730℃/2 h, AC; (d) 998℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (e) 1008℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC

2.2 热处理工艺对疲劳裂纹扩展行为的影响

2.2.1 保温时间对疲劳裂纹扩展行为的影响

具有片层组织特征的TC4-DT钛合金da/d N-ΔK曲线存在转折点现象^[8,9,10], 转折点前的疲劳裂纹扩展速率曲线的斜率大, 裂纹扩展速率增速较快, 转折点后的曲线斜率降低, 扩展速率增速降低。研究^[10]表明, 转折点位置对应的应力强度幅值ΔK_t主要受原始β晶粒尺寸的影响, 具有粗大原始β晶粒尺寸的片层组织具有更大的ΔK_t值。不同保温时间下TC4-DT钛合金在应力比R=0.1时da/d N-ΔK曲线如图2所示, 随着保温时间的延长, 原始β晶粒尺寸增大 (由130μm增大至230μm) 。在转折点之前的裂纹扩展区, 粗大晶粒的da/d N低于细小晶粒的da/d N, 当越过转折点后, 裂纹扩展曲线基本重合, 晶粒尺寸对裂纹扩展的影响降低甚至消失, 属于显微组织不敏感区。此外, 随着保温时间的延长, ΔK_t由17.5 MPa·m^1/2增大19.4MPa·m^1/2, 合金在低速扩展区 (10 MPa·m^1/2≤ΔK≤20 MPa·m^1/2) 的da/d N有一定程度的降低。

2.2.2 加热温度对裂纹扩展行为的影响

TC4-DT钛合金在应力比R=0.1时da/d N-ΔK曲线如图3所示, 由图3可知, 加热温度由988℃升高至998℃时, 原始β晶粒尺寸由130μm增大至240μm, ΔK_t由17.5 MPa·m^1/2增大至18.0 MPa·m^1/2, da/d N明显降低;当温度继续升高到1008℃后, 原始β晶粒尺寸增大至400μm, ΔK_t增大至20.5MPa·m^1/2, da/d N无明显变化;但在转折点附近, da/d N降低。所以, 为了降低加热温度提高导致原始晶粒粗大对塑性或疲劳的不利影响, 准β热处理的加热温度不宜太高, 即该炉批的TC4-DT钛合金准β热处理的加热温度以998℃左右为宜。

图2 不同保温时间的TC4-DT钛合金的da/d N曲线Fig.2 Fatigue crack propagation rate of TC4-DT with different holding time

(1) 988℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (2) 988℃/10 min, AC+730℃/2 h, AC; (3) 988℃/15 min, AC+730℃/2 h, AC

图3 不同加热温度的TC4-DT钛合金的da/d N曲线Fig.3 Fatigue crack propagation rate of TC4-DT with different heating temperatures

(1) 988℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (2) 998℃/5min, AC+730℃/2 h, AC; (3) 1008℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC

2.2.3 Paris方程对裂纹扩展速率的描述

对片层组织TC4-DT钛合金的da/d N试验数据运用最小二乘法进行插值计算和线性回归法进行拟合得到的Paris方程如表2所示。

表2 TC4-DT钛合金的Paris数学方程Table 2 Mathematical equations with different heat treat-ment process parameters of TC4-DT alloy 下载原图

表2 TC4-DT钛合金的Paris数学方程Table 2 Mathematical equations with different heat treat-ment process parameters of TC4-DT alloy

图4 不同热工艺下的TC4-DT钛合金的疲劳裂纹扩展路径Fig.4 Profiles of fatigue crack path of TC4-DT alloy with different heat treatments

(a) 988℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (b) 988℃/10 min, AC+730℃/2 h, AC; (c) 988℃/15 min, AC+730℃/2 h, AC; (d) 998℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (e) 1008℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC

2.3 裂纹扩展路径

图4为不同热处理状态下合金在低速扩展区的裂纹扩展路径。由图4可知, 随着保温时间的延长或加热温度的升高, 裂纹扩展路径由平直变得曲折, 主裂纹以“锯齿状”逐渐向前扩展, 并在平行于和垂直于裂纹扩展的方向形成了二次裂纹, 同时二次裂纹又萌生出许多细小的裂纹, 这些裂纹基本都属于不扩展裂纹, 其主要作用即吸收了外界加载的载荷能量, 促使主裂纹在扩展过程中能够有效地释放裂纹尖端的应力, 在裂纹扩展过程中消耗更多的能量, 进而延缓裂纹扩展^{[6,11,12,13,14]}。裂纹在扩展过程中形成的部分二次裂纹扩展一段距离后, 合并形成主裂纹向前扩展。说明裂纹尖端的应力较大, 通过形成闭合裂纹来释放裂纹尖端应力降低了裂纹扩展速率。裂纹扩展方向垂直于α片层方向穿过连续的α相和α集束边界, 因形成的α集束边界能够明显的阻碍裂纹的扩展^[15], 当主裂纹穿过相邻不同取向的α集束边界时, 扩展方向改变, 进而降低了疲劳裂纹扩展速率。

保温时间的延长或加热温度的升高, 使得裂纹扩展的路径更加曲折, 且萌生的二次裂纹数量增多, 有效地降低了合金裂纹扩展速率。

2.4 断口形貌

图5为TC4-DT钛合金经不同热处理工艺后在裂纹扩展低速区的断口特征。由图5可见, 基本断裂特征相似, 断口表面可观察到一些解理面, 解理面上存在多而细小的平行或垂直于裂纹扩展方向的疲劳条带和较深的二次裂纹。裂纹通过解理台阶扩展, 表现为解理断裂和条带扩展机制共存^[16,17,18]。且随着保温时间的延长或加热温度的升高, 断口表面粗糙度减小, 疲劳条带间距减小, 二次裂纹变深且增多。

3 结论

1.在准β热处理工艺窗口范围内, 随着保温时间从5 min延长至15 min, 原始β晶粒尺寸从130μm增大到230μm, 转变点处ΔK_t由17.5MPa·m^1/2增大至18.0 MPa·m^1/2, 当10 MPa·m^1/2≤ΔK≤20 MPa·m^1/2时, 裂纹扩展速率降低。

2.随着准β热处理加热温度由988℃升高至998℃, 原始β晶粒尺寸从130μm增大至240μm, 转变点处ΔK_t由17.5 MPa·m^1/2增大至18.0MPa·m^1/2, 转折点前的裂纹扩展区的裂纹扩展速率降低;当温度继续升高至1008℃时, 原始β晶粒尺寸增大至400μm, 转折点处ΔK_t增大至20.5MPa·m^1/2, 裂纹扩展速率在转折点附近降低, 当ΔK≥20.5 MPa·m^1/2时, 裂纹扩展速率无明显变化。

图5 不同热工艺下的TC4-DT钛合金中速区的疲劳裂纹断口形貌Fig.5 Fracture morphology of TC4-DT alloy with different heat-treatments after fatigu

(a) 988℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (b) 988℃/10 min, AC+730℃/2 h, AC; (c) 988℃/15 min, AC+730℃/2 h, AC; (d) 998℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC; (e) 1008℃/5 min, AC+730℃/2 h, AC

3.随着准β热处理保温时间的延长或加热温度的升高, 断口粗糙度增大, 裂纹扩展路径更曲折、萌生的二次裂纹更多更深。