30 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊接頭的高周疲勞與裂紋擴(kuò)展速率

賈金龍，龍健，張林杰

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050；2.西安交通大學(xué)，金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 前言

鈦及其合金因其具有密度小、比強(qiáng)度高、剛度大、耐蝕性好、高溫性能好、可加工性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，是鋼、鋁之后的第3 種結(jié)構(gòu)材料，在航空航天、航海、石油化工、國防裝備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1?3]。TC4 鈦合金是由hcp-α 和bcc-β 兩相構(gòu)成的鈦合金，也叫做Ti-6Al-4V，其中Al 是提高α 相穩(wěn)定性的元素，V 是提高β 相穩(wěn)定性的元素。TC4 在航空工業(yè)中主要用于制造發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、飛機(jī)重要承力構(gòu)件等，在航海中主要用于制造深海載人下潛器的耐壓殼體[4?7]。

焊接技術(shù)由于其在構(gòu)件輕量化、密封性好、接頭質(zhì)量高等方面的優(yōu)勢而在鈦合金加工方面應(yīng)用很廣泛，但是鈦合金由于熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差、比熱容大，使其在焊接時高溫區(qū)寬，焊縫及熱影響區(qū)極易過熱而導(dǎo)致晶粒粗化和長大，且鈦在高溫下活性強(qiáng)，易吸收氫、氧、氮等元素而產(chǎn)生氣孔、接頭脆化等缺陷，甚至導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生。因此鈦合金焊接需要一種線能量集中、保護(hù)效果好的焊接方法，真空電子束焊由于其能量高，且在真空中焊接，因此，焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄，焊接質(zhì)量好，可以解決鈦合金焊接中的問題，尤其適合于大厚板鈦合金焊接[8?10]。

有研究表明，在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)件中，有80%～90%的失效都是疲勞破壞，而航空結(jié)構(gòu)件在服役過程中由于各種氣動、機(jī)械原因誘發(fā)的振動應(yīng)力，使其承受疲勞載荷[11?14]。疲勞失效已經(jīng)成為影響現(xiàn)代航空裝備安全性、耐久性的主要問題，還可導(dǎo)致維修費(fèi)用大幅增加，是航空裝備結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)解決的問題之一。

文中對比了30 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊接頭和母材的高周疲勞性能，并觀察了接頭的疲勞斷裂位置，分析了母材和接頭的疲勞斷口。同時，分區(qū)域研究了接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率。試驗(yàn)結(jié)果將為中厚板TC4 鈦合金真空電子束焊接技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料及電子束焊接工藝參數(shù)

文中使用的材料是TC4 鈦合金，材料的化學(xué)成分信息見表1。表2 是文中電子束焊接頭所使用的焊接工藝參數(shù)。

表1 TC4 合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 電子束焊接工藝參數(shù)

圖1 是電子束焊接頭的焊縫橫截面形貌，試板厚度為30 mm，為防止焊穿，下面加了16 mm 厚的墊板。靠近試板上表面的焊縫區(qū)較寬，最寬達(dá)到了8 mm，試板中間焊縫區(qū)寬度較為穩(wěn)定，約為4 mm。與焊縫區(qū)較為相似，接頭靠近上表面的熱影響區(qū)寬度較大，最高達(dá)到了5 mm，試板中間位置的熱影響區(qū)寬度約為3 mm。

圖1 電子束焊接頭的焊縫橫截面

1.2 接頭顯微組織

接頭的顯微組織觀察依次在3 個區(qū)域展開，分別為母材區(qū)（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）和焊縫區(qū)（WM）。試驗(yàn)設(shè)備為場發(fā)射掃描電鏡FEI Verios460，腐蝕劑采用Kroll 試劑，試劑配方為3%（體積分?jǐn)?shù)）HF 加6%（體積分?jǐn)?shù)）HNO3的水溶液，試樣腐蝕時間為13～15 s。

1.3 顯微硬度

在板厚15 mm 處對接頭各個區(qū)域進(jìn)行橫向顯微硬度測試，從左到右，每隔0.5 mm 測試一個點(diǎn)，依次穿過母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、直至右側(cè)母材，試驗(yàn)設(shè)備選擇HXD-1000TMC/LCD 顯微硬度計(jì)。試驗(yàn)力為1.961 N（200 g），載荷保持時間為15 s。

1.4 高周疲勞性能

高周疲勞試驗(yàn)參照《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》（GB/T 3075—2008）進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON-1341 電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)。應(yīng)力值在300～700 MPa 范圍內(nèi)，加載方式為軸向加載，最小應(yīng)力與最大應(yīng)力比為0.1，載荷頻率為20 Hz，載荷波形為正弦波。

疲勞試樣尺寸為棒狀，試樣長度120 mm，夾持直徑12 mm，試樣直徑6 mm，平行段長度30 mm。母材疲勞試驗(yàn)試樣尺寸如圖2 所示，其平行段全部由TC4母材組成。焊接接頭疲勞試驗(yàn)試樣尺寸如圖3 所示，平行段包含了BM，HAZ 和WM 3 個區(qū)域，其中焊縫區(qū)在試樣中心處。

圖2 母材疲勞試驗(yàn)試樣尺寸

圖3 電子束焊接接頭疲勞試驗(yàn)試樣尺寸

1.5 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

室溫、大氣環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)按照《金屬材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法》（GB/T 6398—2017）進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備為電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)INSTRON-1341。軸向加載對稱正弦波，應(yīng)力比同樣為0.1，載荷頻率為20 Hz。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)及試樣服役情況綜合考慮，確定試樣類型為緊湊拉伸試樣（CT 試樣），CT 試樣取樣位置如圖4 所示，分別使初始預(yù)制裂紋位于尺寸為BM，HAZ 和WM 區(qū)域。CT 試樣尺寸如圖5 所示，試樣大小為62 mm×60 mm×8 mm，初始裂紋長度為12.5 mm，寬度為1.5 mm。

圖4 緊湊拉伸試樣取樣示意圖

圖5 緊湊拉伸試樣尺寸示意圖

1.6 疲勞斷口形貌

疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)完成后，為觀察斷口形貌，尋找裂紋源位置，需要利用超聲波清洗斷口，清洗溶劑為乙醇，時間不低于30 min。斷口觀察設(shè)備為SU3500掃描電鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖6 是電子束焊接頭母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)在高分辨電鏡下的組織形貌。圖中母材的顯微組織是由等軸α 相和分布在α 相晶界的β 相組成。受焊接過程中熱循環(huán)的影響，母材中等軸α 相的邊緣開始溶解，向細(xì)小的片狀α′相轉(zhuǎn)變。熱影響區(qū)作為母材向焊縫區(qū)過渡的中間區(qū)域，其內(nèi)部組織既有還未發(fā)生轉(zhuǎn)變的等軸α 相，也有已經(jīng)轉(zhuǎn)變完成的片狀α′相。2 種接頭的顯微組織差異在焊縫區(qū)。電子束焊接頭焊縫區(qū)存在大量相互加錯的針狀α′相，文獻(xiàn)[15?19]指出：針狀α′相作為鈦合金中的強(qiáng)化相，當(dāng)材料發(fā)生變形時，這些細(xì)小的針狀α′相會對位錯的運(yùn)動產(chǎn)生阻礙作用，從而使材料強(qiáng)化。

圖6 電子束焊接頭各區(qū)域的顯微組織形貌

2.2 顯微硬度

圖7 是接頭各區(qū)域的顯微硬度值。由圖可知：電子束焊接頭焊縫區(qū)的顯微硬度略高于母材。母材區(qū)的平均硬度值為316 HV 左右，熱影響區(qū)值約為322 HV，電子束焊接頭焊縫區(qū)的平均顯微硬度值為330 HV。熔合線附近的硬度要高于焊縫區(qū)和母材區(qū)。

圖7 接頭各區(qū)域的顯微硬度

2.3 母材和接頭的高周疲勞性能

圖8 是鈦合金母材和電子束焊接頭的峰值應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系曲線。其中帶箭頭的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示2×106循環(huán)之后未失效的情況，也稱作溢出點(diǎn)。由圖可知：30 mm 鈦合金電子焊接頭的高周疲勞性能要弱于母材。

圖8 鈦合金母材、電子束焊接頭的高周疲勞S-N 曲線

采用Basquin 方程對接頭高周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，為

式中：Smax為最大應(yīng)力；A是疲勞強(qiáng)度系數(shù)；Nf為失效循環(huán)周次；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。獲得具有應(yīng)力疲勞強(qiáng)度的擬合公式，為

式（2）為30 mm 厚度TC4 鈦合金母材最大應(yīng)力與循環(huán)周次的表達(dá)式。從圖中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合曲線可以看出，室溫條件下的應(yīng)力疲勞強(qiáng)度為503 MPa。式（3）為30 mm 厚度TC4 鈦合金電子束焊接頭最大應(yīng)力與循環(huán)周次的表達(dá)式。從圖中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合曲線可以看出，室溫條件下的應(yīng)力疲勞強(qiáng)度為474 MPa。電子束焊接頭的疲勞強(qiáng)度可以達(dá)到母材的94.2%。

表3 為30 mm 鈦合金電子束焊接頭母材和接頭的高周疲勞性能參數(shù)。疲勞壽命主要是由疲勞強(qiáng)度指數(shù)決定，相同載荷條件下，指數(shù)的絕對值越小，疲勞壽命值越大。由表可知：母材疲勞指數(shù)的絕對值要少于接頭。

表3 TC4 電子束焊接頭母材和接頭的高周疲勞性能參數(shù)

2.4 母材和接頭的高周疲勞斷口

圖9 和圖10 為鈦合金母材、電子束焊接頭的高周疲勞斷口。圖9(a)和圖10(a)分別是鈦合金母材、電子束焊接頭的宏觀疲勞斷口形貌。可以看到主要分為2 個區(qū)域，其中一部分較為平整，為疲勞區(qū)域，另一部分表面凹凸不平，為拉伸斷裂區(qū)域。圖9(b)和圖10(b)分別是母材和電子束焊接頭疲勞裂紋的啟裂位置，啟裂源位于試樣表面。這是因?yàn)樵嚇颖砻娴娜毕萏幰桩a(chǎn)生應(yīng)力集中，在承受拉壓循環(huán)載荷時，駐留滑移帶的不斷擠壓和侵入導(dǎo)致了裂紋源的形成。圖片9(c)和圖10(c)分別是母材、電子束焊接頭疲勞裂紋的擴(kuò)展區(qū)域。2 個區(qū)域都可觀察到典型的疲勞輝紋。裂紋擴(kuò)張的方向與疲勞輝紋的方向垂直，當(dāng)應(yīng)力處于最大壓應(yīng)力時，裂紋前端閉合銳化。隨著應(yīng)力方向變化，應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大拉應(yīng)力時，由于裂紋前沿應(yīng)力集中，使裂紋張開向前擴(kuò)展，并使裂紋鈍化。隨著循環(huán)應(yīng)力地不斷加載，裂紋又重新閉合銳化。如此重復(fù)，使裂紋不斷向前推進(jìn)。疲勞輝紋是每次循環(huán)載荷留下的痕跡。其中，相同載荷條件下，母材高周疲勞斷口中輝紋的間距較小，約為1.49 μm，電子束焊接頭的相鄰輝紋間距為2.14 μm。輝紋間距約大，在一定程度上，可以反映材料抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力越弱。圖9(d)和圖10(d)是母材和電子束焊接頭最后拉伸斷裂的區(qū)域，斷口都呈韌窩狀，說明母材和接頭在斷裂前都有著良好的塑性變形能力。

2.5 接頭各區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率

圖11 是TC4 鈦合金電子束焊接頭的各區(qū)域疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度 ΔK之間的關(guān)系曲線。由圖可知，3 條擬合曲線中，熱影響區(qū)曲線斜率最大，即抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能最弱，焊縫區(qū)次之，母材區(qū)最強(qiáng)。尤其是當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值較大時，熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最快。

圖11 接頭各區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度ΔK之間的關(guān)系曲線

采用Paris 公式對接頭不同層不同區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，為

由表4 可知：30 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊接頭熱影響區(qū)的Paris 指數(shù)較大，該區(qū)域的疲勞裂紋擴(kuò)展速率較高，抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力較差。

表4 接頭不同層不同區(qū)域的Paris 公式參數(shù)匯總

3 結(jié)論

（1）電子束焊接頭在循環(huán)周次為2×106時的高周疲勞強(qiáng)度為474 MPa；相同載荷條件下，母材的高周疲勞強(qiáng)度僅為503 MPa。

（2）相同載荷條件下，電子束焊接頭高周疲勞斷口中的疲勞輝紋間距約為2.14 μm，而母材的疲勞輝紋間距為1.49 μm。

（3）30 mm 鈦合金電子束焊接頭熱影響區(qū)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展性能要弱于母材和焊縫區(qū)。