引言
鈦合金具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗腐蝕性能、較寬的工作溫度范圍以及具有良好的成型性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-4] 。
如鈦合金鍛件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中作為壓氣機(jī)葉片、盤等，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中作為重要的承力框梁等。但由于鈦合金化學(xué)活性高，在熱成形或熱處理過(guò)程中會(huì)受到周圍氣氛的污染，加之其導(dǎo)熱性能差、彈性模量低，因此，對(duì)鈦合金構(gòu)件，特別是復(fù)雜和大型結(jié)構(gòu)件的鍛造要求較高，否則較易出現(xiàn)鍛造折疊、裂紋等鍛造缺陷。其中，鍛造折疊是鍛件中必然存在的一種缺陷，文獻(xiàn)報(bào)道，鈦合金鍛件缺陷中，折疊缺陷數(shù)量達(dá)到 50% [5] 。如果鈦合金鍛件存在的折疊缺陷在后續(xù)加工中沒(méi)有被去除，將由于構(gòu)件局部完整性被破壞，以及由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中，會(huì)大大降低構(gòu)件疲勞壽命。導(dǎo)致鍛造折疊產(chǎn)生與多方面的因素有關(guān)，如表面氧化皮未清理干凈、毛刺擠入、坯料放置不當(dāng)、毛坯選擇不當(dāng)?shù)萚6] 。
飛機(jī)用鈦合金鍛件在加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)加工表面有兩條裂紋，鍛件材料為 TA15 鈦合金。本文對(duì)鍛件裂紋及裂紋斷口進(jìn)行了宏微觀觀察，對(duì)裂紋和斷口微區(qū)成分進(jìn)行了能譜分析，對(duì)材質(zhì)進(jìn)行了金相組織檢查，確定了裂紋性質(zhì)和原因。本文的研究結(jié)果對(duì)鈦合金折疊缺陷的失效分析和預(yù)防具有較好的借鑒和參考。
1、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
1.1 裂紋觀察
采用體視顯微鏡對(duì)裂紋進(jìn)行宏觀觀察，采用JSM5600LV 掃描電鏡對(duì)裂紋和裂紋斷口進(jìn)行微觀形貌觀察。
鈦合金鍛件機(jī)械加工后加工表面裂紋外觀形貌見(jiàn)圖 1。裂紋距鍛件內(nèi)圓表面約 6mm，與鍛件內(nèi)圓表面呈 30°左右。裂紋左側(cè)開口較寬，裂紋兩側(cè)斷面匹配特征不明顯;裂紋右側(cè)具有較明顯的匹配特征，多處存在分叉現(xiàn)象，見(jiàn)圖 2。
掃描電鏡放大觀察，裂紋左側(cè)開口較寬處裂紋內(nèi)有明顯的夾雜物，見(jiàn)圖 3。
圖 1 裂紋外觀形貌
Fig．1 Appearance of the crack
1.2 斷口觀察
將鍛件裂紋人工打開后進(jìn)行斷口觀察。
宏觀上，裂紋斷口深度在 3～4.5 mm 之間，左側(cè)斷口呈棕紅色，右側(cè)斷口呈灰色，兩種顏色斷口過(guò)渡區(qū)域?yàn)樗{(lán)色和金黃色，見(jiàn)圖 4。微觀上，左右側(cè)斷口上均可見(jiàn)明顯的氧化物覆蓋，左側(cè)棕紅色區(qū)域氧化物呈龜裂特征，見(jiàn)圖 5。在斷口尖端，斷裂特征為解理形貌，見(jiàn)圖 6。
可見(jiàn)，人工打開斷口為韌窩斷裂特征。
圖 2 裂紋左側(cè)分叉特征
Fig．2 Branching feature on the left of crack
圖 3 裂紋右側(cè)內(nèi)部夾雜物
Fig．3 Inner inclusions at the right of crack
圖 4 斷口不同區(qū)域顏色不同
Fig．4 Different colors of the fracture
1.3 微區(qū)成分分析
在掃描電鏡上，采用能譜儀對(duì)裂紋內(nèi)夾雜物及裂紋斷口表面不同顏色區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分檢測(cè)。
裂紋內(nèi)夾雜物及裂紋斷口表面不同顏色區(qū)域能譜檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 1。結(jié)果表明，裂紋內(nèi)夾雜物和裂紋斷口表面氧化物成分主要為 O、N 和鈦合金基體元素。說(shuō)明裂紋內(nèi)夾雜及裂紋斷口上主要為鈦合金基體的氧化物和氮化物。
圖 5 斷口表面氧化物龜裂特征
Fig．5 Oxide chapping feature on the fracture
圖 6 斷口裂紋尖端解理斷裂特征
Fig．6 Cleavage fracture characteristics at the crack tip
1.4 顯微組織
垂直裂紋截取金相試樣，磨拋后采用 5%HF+12%HNO3+83%H2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液腐蝕，采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。
鍛件基體材質(zhì)顯微組織為鈦合金雙態(tài)組織。
裂紋兩側(cè)相對(duì)基體而言，α 相含量明顯增加，富 α相層深度在 50 ～ 100 μm 范圍，β 相含量明顯減少。裂紋尖端α相含量較多，并且α相尺寸細(xì)小呈帶狀分布，見(jiàn)圖7。
圖 7 鍛件基體雙態(tài)組織及裂紋兩側(cè)富α相組織
Fig．7 Duplex microstructure of the forging matrix and α-rich structure on both sides of the crack
1.5 顯微硬度檢測(cè)
采用維氏顯微硬度儀對(duì)鍛件基體、裂紋兩側(cè)和裂紋尖端α相帶狀組織區(qū)域進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)。
顯微硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 2。結(jié)果表明，裂紋尖端顯微硬度略低于鍛件基體，裂紋兩側(cè)富α相層硬度明顯高于基體。
2、 分析與討論
從鍛件裂紋走向與形態(tài)、斷口宏微觀特征、裂紋金相等試驗(yàn)結(jié)果看，存在以下幾方面的特點(diǎn):
1)鍛件裂紋走向與內(nèi)圈表面呈 30°左右;
2)鍛件左側(cè)裂紋兩側(cè)匹配特征不明顯，裂紋開口較寬，裂紋內(nèi)均有較多的夾雜物，能譜分析表明均為鈦合金氧化物，未見(jiàn)其他異常元素;
3)裂紋兩側(cè)的金相組織主要為α相，β相含量少;
4)裂紋尖端圓鈍;
5)裂紋斷口上覆蓋一層鈦合金基體的氧化物。
以上特征均為鈦合金鍛造折疊裂紋的典型特征[7] 。由此判斷，鍛件裂紋性質(zhì)為鍛造折疊裂紋。
裂紋宏微觀觀察結(jié)果表明，裂紋左側(cè)裂口較寬，裂紋內(nèi)有夾雜物，并且無(wú)明顯的匹配特征外，而裂紋右側(cè)匹配特征明顯，裂口較小且裂紋內(nèi)均無(wú)夾雜物，可見(jiàn)較多的二次裂紋分叉。并且斷口微觀觀察結(jié)果表明，斷口基本被氧化物覆蓋，但是裂紋尖端可觀察到解理斷裂特征，結(jié)合左側(cè)裂紋兩側(cè)無(wú)匹配性，而右側(cè)裂紋兩側(cè)匹配性良好且出現(xiàn)分叉特征，可以判斷，鍛件裂紋左側(cè)為高溫階段產(chǎn)生的鍛造折疊裂紋，而裂紋右側(cè)則為溫度相對(duì)較低的條件下，折疊裂紋擴(kuò)展所致。
裂紋斷口宏觀觀察結(jié)果表明，斷口左側(cè)為棕紅色，右側(cè)為灰色，中間過(guò)渡區(qū)為藍(lán)色和金黃色。
能譜檢測(cè)結(jié)果表明，棕紅色斷口微區(qū)成分主要為N、O 和鈦合金基體元素，灰色斷口主要為 O 和鈦合金基體元素。研究表明[8] ，鈦合金斷口上顏色的差異，主要是由于所經(jīng)歷的溫度不同所致。在500 ℃時(shí)鈦合金呈現(xiàn)灰黃色，600 ℃時(shí)為藍(lán)色，650℃為灰藍(lán)色，750 ℃時(shí)為棕色，800～850 ℃時(shí)為棕紅色。并且，鈦合金在 770 ℃開始吸氮，可在其表面形成氮污染層[9]。可見(jiàn)，鍛件裂紋斷口上顏色的差異，主要是由于裂紋形成時(shí)的溫度不同所致。
其中，左側(cè)棕紅色斷口由于 N 元素含量較高，其對(duì)應(yīng)的裂紋形成溫度應(yīng)高于 800 ℃，右側(cè)灰色斷口形成溫度應(yīng)不高于 500 ℃。
鈦合金鍛造折疊裂紋，是指在金屬變形流動(dòng)過(guò)程中，已氧化的表層金屬匯合在一起而形成的近似于裂紋的鍛造缺陷。從 TA15 鈦合金鍛件結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)鍛造過(guò)程中金屬的變形規(guī)律分析，產(chǎn)生鍛造折疊部位不存在金屬急速大量流通的條件，也不存在變形金屬?gòu)澢蚧亓鞯臈l件。由于該鍛件大量生產(chǎn)，并未在此部位發(fā)現(xiàn)類似鍛造折疊缺陷;因此，分析認(rèn)為，該折疊裂紋的產(chǎn)生，是由于表面氧化皮未清理干凈，在鍛造過(guò)程中卷入所致。
綜上所述，TA15 鈦合金鍛件加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的加工表面裂紋性質(zhì)為鍛造折疊裂紋，折疊裂紋在鍛造過(guò)程中發(fā)生了擴(kuò)展。其產(chǎn)生原因主要是由于鍛造過(guò)程中表面氧化皮未清理干凈所致。
針對(duì)上述原因形成的鍛造折疊缺陷，應(yīng)當(dāng)在每次鍛造之前檢查材料表面質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)翹皮、折疊、劃傷、凹槽等缺陷則利用磨光火車加工工藝加以消除[10] ;在可能產(chǎn)生折疊的中間制造過(guò)程中增加磁粉探傷等無(wú)損檢測(cè)工藝，從而有效避免折疊的出現(xiàn)[5] 。
3 、結(jié)論
1)鈦合金鍛件加工表面裂紋性質(zhì)為鍛造折疊裂紋。
2)由鈦合金溫色對(duì)應(yīng)關(guān)系及斷口能譜分析結(jié)果可知，左側(cè)棕紅色斷口裂紋形成溫度高于800 ℃，右側(cè)灰色斷口裂紋形成溫度應(yīng)不高于500 ℃。
3)鈦合金鍛件折疊裂紋形成主要是由于表面氧化皮未清理干凈所致。
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