探究鈦合金及其擴散焊疲勞特性的研究進展

于 洋

（海裝沈陽局駐哈爾濱地區第三軍事代表室 黑龍江 哈爾濱 150078）

0 引言

隨著現代船艦的發展與進步，對建造材料各方面機能都提出了更高的要求，如高可靠性、高機動性、輕質、長壽命等，這就需要發展更加高效的新技術與新材料。而鈦合金以其獨特優勢，成為現代船艦制造主體結構的重要材料。是否有效運用鈦合金，直接體現著船艦結構選材的先進性。鈦及鈦合金，發展時間從二十世紀中期開始，是一種多用途金屬材料，最顯著優勢就是高比強度、高耐蝕性等，相較于鋼鐵，其價格也更加昂貴[1]。因此，應用領域多集中在航空航天、石油化工等高端領域。相較于其優勢，鈦合金的缺點也非常明顯，經過疲勞實驗，顯示出鈦合金損傷容限較低的缺陷，疲勞裂紋一旦出現，擴展的速度就會大大加快，從而難以保證長期使用。因此，對于鈦合金疲勞裂紋快速擴展的問題，應當深入研究，并對這一問題進行徹底解決。針對這一問題，目前，許多新型鈦合金材料被研發出來，具有較高的損傷容限，如國內自主研發的TC4-DT、TC21 等鈦合金。在長期的研究中，已經能夠有效掌握鈦合金材料成分體系，對鈦合金結構形式進行重新構造，也是提升其損傷容限的有效途徑。

1 鈦合金及其焊接

鈦合金中添加合金元素，依據穩定類型，有三類：①α 穩定元素。②β 穩定元素。③中性元素。鈦合金的類型劃分是按照化學成分進行區分的，根據這一標準可以將鋁合金分為α 型、近α 型、α+β 型、近β 型、亞穩β 型和β 型鈦合金幾種類型，如圖1所示。

圖1 Mo 當量鈦合金類型示意圖

在加熱鈦及鈦合金時，其容易與H、C、N、O 反應，進行焊接時，300 ℃快速吸H，600 ℃快速吸O，700 ℃快速吸N，達到1000 ℃以上時其與C 形成化合物，吸入雜質氣體，就會使鈦原子與其他雜質原子形成化合物，形成脆化鈦合金[2]。因此，為了使焊接接頭質量得到保障，在焊接時，往往會處于真空環境。目前，激光焊、擴散焊、電子束焊等是鈦合金的主要焊接方法。以下著重講“擴散焊”這個焊接方法，因為這個方法是最普遍、最廣泛的。

擴散焊，就是將兩個或多個待焊材料疊放在一起，放在真空環境或是保護氣氛爐內，對其加溫加壓，使焊接表面發生可塑化變形，這樣就能使焊接表面接觸更緊密，在保溫保壓中通過原子相互擴散，進行冶金連接，使其整體性更強，這是一種固相焊接。主要有以下優點：①能保證接頭質量，焊接牢固、穩定。②焊件變形小、具有高精度尺寸。③能夠對復雜、多接頭的構件進行同時焊接，滿足多種作業需求之間的焊接工作需要。④可以對不同材料，薄厚差異較大的結構件進行焊接，適用比較廣泛。

2 疲勞裂紋形核

疲勞破壞，指的是在交變循環的應力作用下，使材料產生局部變化，或是不斷積累缺陷損傷，經過循環后局部變形，產生和不斷擴展疲勞裂紋，最終導致工件斷裂與破壞。循環次數決定了局部變形的程度和發展程度，但是鋁合金材料多數在工業實踐中需要反復使用，疲勞裂紋形核是影響鋁合金材料性能的一項重要指標。

總體而言，材料疲勞破壞過程，主要分為三個階段，分別是裂紋產生、裂紋擴展，以及最后的瞬時斷裂。就鈦合金的疲勞特性來說，其緊密聯系著微觀組織，如形貌、晶粒、織構、晶粒取向等。在焊接時，能量都集中在一處，在快速加熱冷卻中，接頭處的微觀和宏觀組織就會出現缺陷，如果無法均勻分布熱量，就會導致疲勞裂紋。

在高周疲勞中，大部分時間都處于裂紋萌生期。金屬材料疲勞破壞，一般是由于材料表面或是內部缺陷導致的。這些區域有較高的局部應力，在高應力之下，組織局部就會變形。上述內容都是疲勞裂紋形成的重要原因。

3 疲勞裂紋擴展

受到循環加載作用，在斷裂前，多數金屬都會經過宏觀疲勞裂紋發展階段，從微小到擴大。在這個過程中，可以用da/dN-ΔK裂紋擴展速率曲線展示。（a為疲勞裂紋擴展長度，N為疲勞循環次數，ΔK為應力強度因子幅）（圖2）。

圖2 疲勞裂紋擴展速率與ΔK 的函數曲線

通過圖片可以看出，有三個主要的曲線區域，Ⅰ區顯示的是萌生階段疲勞裂紋，當ΔK小于等于下限時，疲勞裂紋不會發生擴展。Ⅱ區顯示的是，穩定擴展階段的疲勞裂紋，呈現出了ΔK和疲勞裂紋擴展速率的線性關系。在這個階段，可以對疲勞裂紋擴展進行預測，因此，這一階段最重要。Ⅲ區顯示的是，擴展高速率階段的疲勞裂紋，當應力強度因子K，接近于KC 時，斷裂就會瞬時發生。

研究人員還基于擴展有限元法，采用Maxps 準則作為損傷起始判據，利用 Abaqus 軟件計算了TC18 合金標準緊湊拉伸（CT）件裂紋尖端損傷和擴展行為[3]。結果表明，裂紋沿垂直于加載力的方向擴展，屬于典型的Ⅰ型(張開型)裂紋擴展；后期裂紋尖端前形成45°剪切微裂紋，即轉為Ⅱ型(滑開型)裂紋擴展。

因此，為了解決疲勞裂紋擴展的問題，在二十世紀末，眾多科學家對貝殼特殊強韌化原理進行參照，建立層合結構，以提升韌性，并將高韌性材料層加入到脆性材料中，對陶瓷基復合結構進行了制備。通過相互疊加韌性和脆性材料，就呈現和構造了層合結構。研究發現，層合結構的構建和完善，不僅使材料強韌性得到改變和優化，而且還能改變疲勞斷裂行為界面。另外，經過一段時間的研究和發展，對擴散焊進行利用，對鈦合金層合結構進行了制備，研究人員通過制備鈦合金層和結構，研究了疲勞裂紋擴展受到連接界面的影響過程。最終發現，疲勞裂紋沿厚度方向擴展的速率，在連接界面與基材微觀結構差異下，得到了降低。并且在這個過程中，研究人員將未焊合區引入TC4 鈦合金擴散焊層合結構中，以此延緩疲勞裂紋擴展，提高疲勞裂紋在擴展階段的壽命。

為了更好地利用擴散焊制備鈦合金層合結構，近年來，研究人員對擴散焊參數進行調控，如溫度、壓力等，研究了鈦合金的擴散焊界面微觀組織演化和力學性能，完成了TC4/Ti2AlNb 基合金等擴散焊工藝與機理的研究[4]。

在此研究過程中，研究人員還對擴散焊異種材料進行了研究。通過研究發現，連接異種材料，可以使各材料優勢得以整合，在擴散焊異種材料的過程中，材料界面兩側合金元素相互擴散，在界面上形成過渡層，一般在幾微米至幾十微米，過渡層材料的成分與母材具有較大差異。

還有研究人員對擴散焊進行利用，對TC4/TA15 鈦合金異質層合結構進行了制備(圖3)，通過參數的控制，找出層間微觀取向差異的α 相，通過研究發現其能夠延緩疲勞裂紋擴展，也可增強層合結構拉伸性能，使其與合金母材拉伸性能相等。

圖3 擴散焊制備TC4/TA15 合金異質層合結構疲勞裂紋擴展斷面特征

因此，異種鈦合金層合結構的合理設計，不僅使強韌特性得以提升，而且通過異質層材料，能夠使斷裂行為得到改變和優化。經過大量的研究，徐芳菲運用擴散焊技術，成功制備多層結構樣件。而且在此過程中，還發現了薄壁窄筋中空結構，其作為一種輕量高強結構，最顯著的優勢就是氣動外形好，結構容易設計，具有高溫強韌性，全壽命成本低、模塊化結構，容易檢查維護等等，已經廣泛應用于導彈舵面和翼面等結構件上[5]。

就層合結構的制備而言，目前釬焊或電子束焊制備超多層結構件技術，是較為成熟的技術，但是想要增加更多層數，也就會增加更多焊縫數，從而延長生產周期，并且無法有效保證焊縫質量。因此，徐芳菲提出多層結構局部擴散焊制備膜盒方法，制備出了質量和尺寸都十分優良的接頭。

4 疲勞強度與壽命

目前，疲勞壽命評估方法有兩種，一種是傳統應力法，通過應力-壽命（S-N）曲線計算壽命；一種是評定應力缺口，對應變疲勞進行應用，以此來評估壽命。一般該材料的疲勞基線，為N 達到107 cyc，達到最大應力位。圖4描繪了N 與應力幅之間的關系，并依據N，將疲勞破壞分為超低周、低周、高周和超高周。

圖4 疲勞循環周次與施加應力幅的關系

一般來說，相較于母材，焊接接頭抗拉強度更優良，但因接頭韌性下降，或存在缺陷，導致其不如母材疲勞強度好。一般來說，給定循環應力，接頭壽命一般比母材低20%，這是因為接頭處留下了損傷或缺陷，集中了大量應力，從而萌發了裂紋疲勞，降低了疲勞性能。為了解決這一問題，通過研究和實踐，在疲勞壽命降低后，通過適當熱處理可以使焊接件的疲勞壽命得到提高。在擴散焊的應用中，實現了固態連接，同時在焊接過程中，可以自由選擇是否輔助焊接，以此來添加中間層。因此，對鈦合金進行擴散焊，能使接頭惡化概率得到有效的降低，目前已經廣泛應用了擴散焊鈦合金構件。為了使這一結論得到驗證，研究人員在950 ℃、3.5 MPa、2 h 的環境條件下，用擴散焊連接TC4 合金，有效提升了焊接接頭拉伸強度，使其擁有相當于母材的拉伸強度。另外，通過擴散焊TC4 異種鈦合金測試其低周疲勞載荷，結果顯示，相較于普通熱處理，擴散焊低周疲勞響應更弱（圖5）。

圖5 Ti550/TC4 合金擴散焊接頭和疲勞性能

5 總結與展望

在本文中，主要對鈦合金與其擴散焊的疲勞裂紋形核、擴展等內容進行了研究。通過研究可以看出，對擴散焊進行應用，制備鈦合金層合結構，能夠使疲勞裂紋的擴展速率得到降低，從而使合金高溫塑性得到改善，在此基礎上，對組織形態優化，改善擴散焊接頭性能。同時，將中間層添加進擴散焊鈦合金中，能夠使原子充分擴散到母材和中間層接頭處，通過調控微觀結構，能夠降低擴散焊鈦合金疲勞裂紋擴展速率。另外，匹配層合材料的脆性層和韌性層，不僅影響拉伸變形應力，也會對疲勞裂紋擴展速率產生影響。因此，在應用的過程中，不能只考慮層合結構單一性能，還要綜合衡量力學性能，如強韌性等。就此而言，想要降低成本和綜合力學性能，對優異層合結構進行制備，仍然需要進一步深入研究。