化學鍍鎳次數對TC2鈦合金疲勞性能影響

晁耀杰，劉吉飛，巨敏，周元彪，鄒陽，楊超，王瓊，張起富，張季童

化學鍍鎳次數對TC2鈦合金疲勞性能影響

晁耀杰*，劉吉飛，巨敏，周元彪，鄒陽，楊超，王瓊，張起富，張季童

（大連長豐實業總公司，遼寧 大連 116038）

為研究化學鍍鎳次數對鈦合金疲勞性能的影響，選取TC2鈦合金作為代表材料，采用疲勞試驗機和掃描電子顯微鏡對其空白試樣與3次和5次化學鍍鎳返修試樣的疲勞壽命和疲勞斷口形貌進行了測試分析。旋轉彎曲疲勞試驗結果表明：化學鍍鎳返修次數越多，TC2試樣在高載荷條件下的疲勞壽命越低；疲勞載荷越低，化學鍍鎳返修次數對TC2的疲勞壽命影響越小；當疲勞載荷接近疲勞極限時，5次以內的化學鍍鎳次數對疲勞極限數值無影響。疲勞斷口觀察結果表明：隨著鍍鎳次數的增多，疲勞斷口的疲勞源數量增多，疲勞擴展區和瞬斷區形貌無差別。

化學鍍鎳次數；TC2鈦合金；疲勞性能；影響

為了適應未來戰爭對機動性和靈活性的要求，航空裝備輕量化已經成為一種趨勢，鈦合金作為一種有色金屬，因其具備強度高、密度小等優點在航空零部件的制造中得到了廣泛應用［1-3］。由于鈦合金的耐磨性和耐腐蝕性存在不足［4-5］，為提高鈦合金零件的使用壽命，一般采用化學鍍鎳的方式進行防護。在航空裝備的長期服役過程中，鈦合金零件的化學鍍鎳層難免會發生磨損，按照飛機大修技術要求，需要對此類零件開展化學鍍鎳返修。鈦合金化學鍍鎳受行業標準限制“只允許返修兩次”，導致飛機大修中大量需要多次（兩次以上）化學鍍鎳的鈦合金返修零件因受鍍鎳次數限制而報廢，考慮到航空鈦合金零件價格昂貴，因此帶來了較大的經濟損失。

隨著化學鍍鎳表面處理技術的不斷發展，“只允許返修兩次”的規定已經成為限制航空裝備大修中鈦合金零件修理的瓶頸問題，同時考慮到航空裝備中鈦合金零件對疲勞性能的要求［6-8］，因此有必要開展化學鍍鎳次數對鈦合金疲勞性能影響的相關研究。

目前國內外發表的鈦合金化學鍍鎳案例大多針對一次鍍鎳的前處理工藝、工藝方法及其性能等方面的研究［9-12］，在鈦合金多次化學鍍鎳后疲勞性能方面的研究尚存在不足。本研究選取典型航空鈦合金材料TC2作為研究對象，從疲勞壽命測試和疲勞斷口形貌觀察兩個角度開展了化學鍍鎳返修次數對其疲勞性能的影響。

1　試驗方法

本文采用的研究對象為等溫退火狀態的TC2鈦合金材料，其主要合金成分如表1所示。為了研究化學鍍鎳返修次數對TC2鈦合金鍍層與基體性能的影響，依據HB 5071-2004 《化學鍍鎳及工藝質量檢驗》，在返修過程中每增加一次化學鍍鎳前均需增加退鍍、除氫過程，化學鍍鎳的工藝流程為：除油→吹砂→活化→氫化→化學鍍鎳→熱處理→除氫（消除應力）退火，其中熱處理溫度為310 ℃±10 ℃，時間約1.5小時，除氫退火溫度為700 ℃±10 ℃，時間為3小時。本文選取3次、5次和6次化學鍍鎳返修試樣，開展了TC2鈦合金鍍層與基體性能的影響。

參考HB 5152-96《金屬室溫旋轉彎曲疲勞試驗方法》標準制作如圖1所示的旋轉彎曲疲勞試樣，按照升降法采用疲勞試驗機對空白及化學鍍鎳返修試樣進行疲勞壽命測定，并繪制-曲線。參考鐘群鵬院士的《斷口學》［13］開展疲勞斷口形貌的觀察與分析工作，疲勞斷口試樣的實物如圖2所示。

圖1　旋轉彎曲疲勞試樣

圖2　疲勞斷口試樣

2　試驗結果與分析

2.1　旋轉彎曲疲勞性能

按照升降法對空白和鍍鎳返修試樣（3次、5次）開展疲勞壽命測試，加載參數如圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）所示。將疲勞試驗機得到的疲勞壽命數據通過Origin軟件擬合成如圖4所示曲線。由于第六次化學鍍鎳返修試樣在退鍍過程中的尺寸損失過大，疲勞試驗機無法加載，故無法得到第六次化學鍍鎳返修的疲勞數據。

通過擬合空白試樣、3次和5次化學鍍鎳返修試樣的疲勞壽命測試數據，可分別得到三條對應的-曲線，通過擬合可知空白試樣的疲勞數據擬合方程為lg=7.099-1.247lgmax，3次化學鍍鎳返修試樣的擬合方程為lg=8.631-1.660lgmax-164.7，5次化學鍍鎳返修試樣的擬合方程為lg=7.119-1.035lgmax。通過以上三個公式的計算可知：當=107時，空白試樣對應的疲勞極限數值為471 MPa，3次化學鍍鎳返修試樣對應的疲勞極限數值為166 MPa，5次化學鍍鎳返修試樣對應的疲勞極限數值為163 MPa。

圖3　TC2試樣疲勞升降法加載參數曲線

通過對比觀察圖4所示三條曲線可以看出：空白試樣位于最右側，3次化學鍍鎳試樣位于中間，5次化學鍍鎳返修試樣位于最左側，即：當疲勞加載的最大應力max處于同一載荷（大于200 MPa）應力數值時，空白試樣對應的疲勞壽命數值最大，5次化學鍍鎳試樣對應的疲勞壽命數值最小；當疲勞加載的最大應力max接近多次（5次以內）鍍鎳返修疲勞極限（163 MPa～166 MPa）時疲勞壽命均接近107次，也可理解為疲勞壽命為無限次。

圖4　TC2鈦合金疲勞試樣S-N曲線

返修后的疲勞極限與空白疲勞極限有較大程度的降低，這是因為TC2試樣經化學鍍鎳返修后需要經過一道熱處理工序，鍍鎳層經熱處理后呈現為脆性，因此會產生殘余拉應力，當殘余應力與疲勞加載應力疊加時會造成疲勞壽命的降低。隨著化學鍍鎳返修次數的增加，曲線斜率增大，即疲勞性能會下降。

2.2　疲勞斷口

通過掃描電子顯微鏡分別對空白試樣、3次化學鍍鎳返修和5次化學鍍鎳返修試樣的疲勞斷口進行對比觀察，疲勞斷口的宏觀試樣如圖5所示，疲勞源區的微觀形貌如圖6所示，疲勞擴展區的微觀形貌如圖7所示，瞬斷區的微觀形貌如圖8所示。

圖5　疲勞斷口的宏觀形貌

通過圖5可以看出：空白試樣、3次鍍鎳和5次鍍鎳返修試樣的疲勞斷口均由疲勞源區、疲勞擴展區和瞬斷區三部分構成；空白試樣存在一處疲勞源，3次鍍鎳返修試樣存在三處疲勞源，5次鍍鎳返修試樣存在5處疲勞源。

圖6　疲勞斷口源區微觀形貌

圖7　疲勞斷口擴展區微觀形貌

結合圖6觀察結果，可以看出空白試樣的疲勞源尺寸最小（5～10 μm）；3次化學鍍鎳返修試樣的疲勞源尺寸處于中間值（10～25 μm）；5次化學鍍鎳返修試樣的疲勞源尺寸最大（50～60 μm）且該疲勞源為臺階狀，具備明顯的“河流狀”特征，呈現出脆性特征［14］。這是因為隨著鍍鎳返修次數的增多，鍍鎳層的塑性降低、脆性增加，在疲勞加載過程中鍍鎳層與試樣內部的鈦合金基體變形系數不同，進而導致兩者的彈性變形不能同步，在旋轉彎曲疲勞載荷條件下，鍍鎳層的脆性越大，越容易形成疲勞源。

對比觀察7可知，空白試樣、3次化學鍍鎳返修和5次化學鍍鎳返修試樣的疲勞擴展區均存在明顯的疲勞輝紋，且疲勞輝紋之間的尺寸接近，微觀特征不存在明顯差別。圖8顯示的是3種試樣疲勞瞬斷區微觀形貌對比，3種試樣的瞬斷區均顯示為典型的微孔聚集性斷裂特征，均為等軸韌窩且尺寸接近。

綜合圖7和圖8結果，可看出化學鍍鎳返修次數對疲勞擴展區和瞬斷區的微觀形貌無影響。這是因為疲勞擴展區和瞬斷區基本位于母材區，多次化學鍍鎳返修工藝對試樣疲勞試樣內部母材的材料特性幾乎無影響。

圖8　疲勞斷口瞬斷區微觀形貌

3　結論

（1）旋轉彎曲疲勞性能試驗表明：對應空白試樣、3次和5次化學鍍鎳返修試樣的3條曲線呈現為依次從右向左分布，且隨著化學鍍鎳返修次數的增加，曲線斜率增大；對應空白試樣、3次和5次化學鍍鎳返修試樣的疲勞極限分別為471 MPa、166 MPa、163 MPa，化學鍍鎳返修試樣的疲勞極限與空白試樣相比有較大程度的降低，化學鍍鎳返修次數（5次以內）對鍍鎳試樣的疲勞極限數值無影響。

（2）疲勞斷口觀察結果表明：鍍鎳返修次數的增多，TC2鈦合金旋轉彎曲疲勞試樣表面的疲勞源數量增多且疲勞源的脆性更明顯；多次化學鍍鎳返修對疲勞擴展區與瞬斷區的微觀形貌無影響。

[1] Rajakumaran R, Anupriya J, Chen S M. 2D-Titanium carbide MXene/RGO composite modified electrode for selective detection of carcinogenic residue furazolidone in food and biological samples[J]. Materials Letters, 2021, 297: 129979.

[2] Hjk A, Mh B, Ssp C, et al. Microstructures and biological properties of 3D-printed titanium intervertebral spacer with the tri-calcium phosphate loaded demineralized bone matrix hydrogel[J]. Materials Letters, 2021, 303: 130519.

[3] Meng Q K,Xu J D,Li H,et al. Phase transformations and mechanical properties of a Ti36Nb5Zr alloy subjected to thermomechanical treatments[J]. Rare Met, 2022, 41: 209-217.

[4] 陳君, 閻逢元, 王建章. 海水環境下TC4鈦合金腐蝕磨損性能的研究[J]. 摩擦學學報, 2012, 32(1): 1-6.

[5] 林翠, 梁靜, 趙晴, 等. TA15鈦合金腐蝕加工工藝研究[J]. 材料工程, 2010, 8: 51-55.

[6] Pruett J P, Clement D J, Carnes D L. Cyclic fatigue testing of nickel-titanium endodontic instruments[J]. Journal of Endodontics, 1997, 23(2): 77-85.

[7] Naydenkin E V, Soldatenkov A P, Mishin I P, et al. Very high cycle fatigue failure of near β titanium alloy[J]. Physical Mesomechanics, 2021, 24(3): 326-334.

[8] Hui L, Xie L Y, Liu J Z, et al. Study on microstructure and fatigue fracture properties of TC2 titanium alloy welded joints[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2004, 24(3): 48-51.

[9] 寧錚, 趙晴, 陳慶龍, 等. 鈦合金化學鍍鎳層結合力影響因素探討[J]. 材料保護,2010, 2: 33-35.

[10] 胡水蓮, 陳云鵬, 程宗輝, 等. 化學鍍鎳次數對TC6鈦合金性能的影響[J]. 電鍍與精飾, 2019, 41(4): 10-13.

[11] 程琳, 李麗, 蔣金海, 等. 前處理工藝對鈦合金化學鍍鎳性能的影響[J]. 電鍍與精飾, 2019, 41(2): 10-14.

[12] 陳學成, 程德, 佟曉波, 等. 航天器用鈦合金表面鍍覆技術[J]. 宇航材料工藝, 2019, 49(5): 58-62.

[13] 鐘群鵬,趙子華. 斷口學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[14] 束德林. 工程材料力學性能[M]. 北京: 機械工業出版社, 2004.

Influence of Electroless Nickel Plating Times on the Fatigue Properties of TC2 Titanium Alloy

CHAO Yaojie*， LIU Jifei， JU Min， ZHOU Yuanbiao， ZOU Yang， YANG Chao， WANG Qiong， ZHANG Qifu， ZHANG Jitong

（Dalian Changfeng Industrial Corporation， Dalian 116038， China）

In order to study the influence of the number of electroless nickel plating on the fatigue properties of titanium alloys， TC2 titanium alloy was selected as the representative material. The fatigue properties of the blank specimens， three and five electroless nickel plating rework specimens were tested with a fatigue testing machine. The fatigue fracture morphology was tested and analyzed by a scanning electron microscope. The results of the rotating bending fatigue test show that the more the number of electroless nickel plating rework， the lower the fatigue life of the TC2 specimen under high load conditions. The lower the fatigue load， the less the number of electroless nickel plating rework will affect the fatigue life of TC2.When the load is close to the fatigue limit， the number of electroless nickel plating has little effect on the fatigue life value. Fatigue fracture observation results show that the number of fatigue sources of fatigue fracture increases， with the increase of nickel plating times. There is no difference in the morphology of fatigue expansion zone and instantaneous fracture zone.

electroless nickel plating times； TC2 Titanium alloy； fatigue properties； influence

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2022.07.004

2021-10-06

2022-03-11

晁耀杰（1988— ），男，碩士，工程師，主要從事航空裝備修理相關的技術及研究工作。Email：chaoyaojie@163.com

大連市高層次人才創新支持計劃項目（2020RQ094），大連市揭榜掛帥科技攻關項目（2021JB12GX007）.