TC6鈦合金安裝座熒光顯示缺陷原因

詹 平, 全瓊蕊, 謝 善, 李 欣

(中國航發航空科技股份有限公司, 成都 610500)

鈦合金因具有高比強度、高熱強度及良好的抗腐蝕性能、耐低溫性能等優點，能滿足現代航空發動機減輕結構質量、提高結構效率、增加燃油效率等的需求，在航空發動機中得到了廣泛應用[1-3]。鈦合金的化學活性高，在磨削加工過程中易產生燒傷等問題，當磨削溫度達到600 ℃以上時還可能產生磨削裂紋(裂紋方向基本與磨削痕跡相垂直)，同時鈦合金工件表面易形成富氧α相，導致鈦合金的力學性能降低[4]。鈦合金工作面的表面形貌、殘余應力、粗糙度等表面質量對鈦合金工件的疲勞壽命影響很大，其中表面粗糙度越大，疲勞壽命越低[5-8]。

許多結構復雜的鈦合金工件通常采用鍛造工藝來制造，但由于鈦合金較差的導熱性能、較低的彈性模量及鍛造工藝本身的特點，使得鈦合金鍛件易出現鍛造折疊裂紋缺陷[9]。

某TC6鈦合金安裝座為航空發動機中的重要連接件，采用鍛造工藝加工成型，其圓弧處因結構特殊而使用手工磨削加工。該TC6鈦合金安裝座在發動機上試車后，拆機進行熒光檢查，發現在該安裝座圓弧處有4 mm左右的線性熒光顯示。筆者對其進行了一系列檢驗和分析，找出了該缺陷發生的原因，并提出了改進措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

該TC6鈦合金安裝座的熒光顯示呈線性分布在圓弧處，如圖1所示，為長度4 mm左右的裂紋。可見裂紋呈鋸齒狀，基本沿直線擴展，擴展路徑上有掉塊，擴展方向基本與打磨痕跡保持垂直，如圖2所示。裂紋區域打磨痕跡明顯，局部有坑洞，如圖3所示，并有疑似因燒傷形成的褐斑存在[10]。將裂紋人工打開，如圖4所示，可見裂紋深度約0.5 mm，整個斷面較為平坦。

圖1 TC6鈦合金安裝座宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the TC6 titanium alloy mount

圖2 裂紋整體形貌Fig.2 Morphology of the overall crack

圖3 打磨區表面形貌Fig.3 Surface morphology of the grinding area

圖4 裂紋打開后斷面形貌Fig.4 Morphology of fracture surface after the opening crack

1.2 微觀分析

采用JSM6610LV型掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察，如圖5和圖6所示,可見裂紋源為線源，裂紋擴展區存在大量二次裂紋，局部呈現河流狀花紋，有小刻面和解理臺階，為脆性斷裂特征，且局部有放射棱線和疲勞條帶。

圖5 裂紋源SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack source

圖6 裂紋擴展區SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the crack propagation area

1.3 金相檢驗

沿斷口截面磨制金相試樣，拋光后使用5%(質量分數,下同)HF+12%HNO3+83%H2O溶液浸蝕,在光學顯微鏡下觀察其形貌，如圖7所示。可見打磨區域表面組織為較為明顯的拉長組織，其平均深度約為200 μm，近表面有鍛造工藝產生的流線組織，局部有渦流狀，其深度約700 μm。

由圖7還可見打磨區域表面完整性較差，過渡不圓滑，有許多的坑洞，尤其是靠近裂紋位置的表面，其組織拉長變形嚴重；裂紋源區附近有掉塊、脫落，斷面較為齊整，呈現兩段式擴展，第一段裂紋較短，與表面基本呈60°夾角，裂紋向內擴展約50 μm后，轉而形成第二段裂紋，該段裂紋較長，約為500 μm，與表面基本呈30°夾角，并伴隨有多處二次裂紋，裂紋側面顯微組織是與基體明顯不同的聚集α相，厚度約為60 μm。打磨區域表面可見多處嚴重變形的燒傷層和剝落，存在厚度為20～30 μm的α層。

圖7 裂紋斷口的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the crack fracture

1.4 硬度測試

采用VH3100型維氏顯微硬度計分別在裂紋源側的富氧α相區、打磨區域近表面、裂紋擴展區側面及基體等4個位置進行顯微維氏硬度測試，結果見表1。可見裂紋源側富氧α相的硬度明顯高于其他位置。

表1 不同位置的顯微維氏硬度測試結果Tab.1 Micro Vickers hardness test results at different positions HV1

1.5 能譜分析

采用能譜(EDS)儀分別對打磨表面、裂紋源區、裂紋擴展區附近、人工打斷區等4個位置進行微區成分分析，結果見表2。可見除人工打斷區域外，其余3個位置均存在較高的氧元素。

表2 斷口不同位置的EDS分析結果(質量分數)Tab.2 EDS analysis results at different fracture positions (mass fraction) %

2 分析與討論

該TC6鈦合金安裝座的裂紋擴展區呈解理特征，且觀察到疲勞弧線，打斷區為韌性斷裂，判斷該缺陷為加工過程中產生的裂紋[11]。

該安裝座的圓弧角為人工砂輪打磨完成，宏觀觀察發現有掉塊和疑似燒傷的褐斑，整個圓弧角均存在粗糙的、不同角度的磨削痕跡，局部還伴隨有大量的垂直于磨削痕跡的裂紋。微觀分析發現打磨區域表面的顯微組織變形嚴重，硬度測試表明該區域硬度明顯高于基體硬度。文獻[10-13]表明，在磨削過程中工件易受到砂輪的擠壓，產生形變強化，同時因磨削產生的高溫可能會導致鈦合金氧化、α相粗大化，即產生硬且脆的富氧α層，導致在多個位置出現掉塊現象。

由斷口微觀分析可知，裂紋源區部分呈現兩段式擴展。第二段裂紋長度是第一段裂紋的10倍以上，且伴隨出現大量的二次裂紋，裂紋側為富氧α相，EDS分析顯示該處氧元素含量明顯較高，以上特征均符合鈦合金鍛造裂紋的特征。但宏觀觀察結果表明裂紋基本呈鋸齒狀直線擴展，與鍛造裂紋開口較寬、尖端圓鈍的特征不相符，結合裂紋源區的兩段式擴展形貌及理化檢驗結果判斷，該TC6鈦合金安裝座存在未完全去除的鍛造折疊裂紋，該安裝座在打磨過程中，產生的組織變形覆蓋了折疊裂紋，導致折疊裂紋在前期沒有被檢查出。在后期加工過程中，由于零件表面完整性被破壞造成疲勞強度下降，裂紋源在富氧α相密集的鍛造折疊裂紋附近形成并向內擴展，裂紋擴展至與鍛造裂紋相連時變向，折疊裂紋成為新的裂紋源，繼續向內擴展，形成疲勞裂紋[13]。

3 結論及建議

該TC6鈦合金安裝座圓弧處的熒光顯示為疲勞裂紋。安裝座圓弧表面在人工砂輪打磨時完整性被破壞，形成了疲勞裂紋源，然后裂紋擴展并與沒有完全去除的鍛造折疊裂紋相連接，最終形成了缺陷。

建議TC6鈦合金安裝座在精加工前應將鍛造折疊裂紋完全去除，避免留下鍛造缺陷；同時，改進砂輪打磨工藝，提高安裝座的表面質量，避免安裝座因表面完整性被破壞而導致力學性能下降。