引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、 可焊接性能和抗腐蝕性能優(yōu)異及耐熱性好等特點(diǎn), 在航空制造中應(yīng)用廣泛。

鈦合金超塑成形/ 擴(kuò)散連接 (Superplastic Form-ing/ Diffusion Bonding,SPF/ DB) 組合工藝是20 世紀(jì)70 年代后期發(fā)展起來的一種近無余量的加工制造技術(shù), 可以實(shí)現(xiàn)在 1~2 次熱循環(huán)中完成連接和成形兩個(gè)工藝過程。 利用 SPF/ DB 組合工藝可以生產(chǎn)應(yīng)用于航空航天飛行器上的機(jī)翼前緣、 縫翼、 導(dǎo)彈彈翼、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、 各種承力壁板以及高溫隔熱板等 [1] 。

這些構(gòu)件工作條件惡劣, 承受復(fù)雜周期載荷, 對疲勞裂紋敏感。 裂紋萌生及擴(kuò)展引起的斷裂失效是影響飛行器長期安全服役的主要問題, 亟待解決。

近年來, 鈦合金擴(kuò)散連接層合板的疲勞裂紋擴(kuò)展行為引起廣泛研究。 疲勞裂紋擴(kuò)展對微觀組織、裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸和應(yīng)力水平敏感 [2-6] 。 據(jù)文獻(xiàn) [7] 和文獻(xiàn) [8]報(bào)道, α/ β 相界對 Ti17 和 Ti-55511 的疲勞裂紋擴(kuò)展起主要作用。 擴(kuò)散連接界面附近 α 晶粒的取向和形貌與基體不同 [9] , 通過試驗(yàn)驗(yàn)了證界面附近發(fā)生相變 [10] 。 DONGYH 等 [11] 研究了 Ti6Al4V 層合板沿表面和厚度兩個(gè)方向的裂紋擴(kuò)展速率變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)界面和基體的微觀織構(gòu)差異是界面附近裂紋擴(kuò)展速率非線性變化的原因。

目前, 有學(xué)者 [12-13] 在擴(kuò)散連接時(shí)引入未焊合區(qū), 通過減緩未焊合區(qū)附近的裂紋擴(kuò)展速率提高層合板的抗疲勞性能。 但是, 引入未焊合區(qū)域會(huì)顯著降低構(gòu)件的靜態(tài)力學(xué)性能。

本文針對鈦合金擴(kuò)散連接組件疲勞裂紋擴(kuò)展速率快的問題, 在擴(kuò)散連接時(shí)引入異質(zhì)中間層, 制備異質(zhì)層合板, 通過疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)對比異質(zhì)和同質(zhì)層合板的疲勞裂紋擴(kuò)展行為, 采用微觀分析方法揭示微觀組織影響疲勞裂紋擴(kuò)展行為的機(jī)理。

1、疲勞裂紋擴(kuò)展行為

1. 1　試驗(yàn)方案

制備 TA2/ TA2/ TA2 和 TA2/ Ti55/ TA2 層合板的擴(kuò)散連接工藝參數(shù)為: 加熱速度 10℃ ·min^-1, 保溫溫度為 900℃, 保溫時(shí)壓力 10MPa, 保溫時(shí)間90min。 疲勞裂紋擴(kuò)展試樣的示意圖 如 圖 1 所示 [14] , 試樣中心鉆 Φ6mm 通孔, 在通孔邊部沿試件寬度方向用電火花加工尺寸為 0. 5mm×0. 5mm×0. 3mm 的角裂紋。

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)于室溫、 大氣環(huán)境下在 MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行, 在試樣長度方向施加拉-拉正弦波載荷, 峰值應(yīng)力和應(yīng)力比分別為 216MPa 和0. 1。 試驗(yàn)周期載荷塊譜由以下兩個(gè)載荷組成, 應(yīng)力比 R = 0. 1 的試驗(yàn)載荷以頻率 8Hz 作用 1500 次,R=0. 7 的標(biāo)識(shí)載荷以頻率 20Hz 作用 5000 次, 兩個(gè)載荷交替進(jìn)行直至試樣斷裂失效。 試驗(yàn)過程中采用光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)測量并記錄表面裂紋長度。 試驗(yàn)結(jié)束后, 測量斷面上的疲勞貝紋到預(yù)制角裂紋的距離, 得到沿厚度方向的循環(huán)次數(shù)與對應(yīng)的疲勞裂紋長度數(shù)據(jù)。

微觀組織形貌和斷裂形貌采用 JSM7600F 掃描電鏡觀察。 試樣基體及擴(kuò)散連接界面附近的微觀織構(gòu)信息用配備了 HKL-EBSD 系統(tǒng)的 HitachiS-3400N SEM 設(shè)備進(jìn)行觀察。

1. 2　疲勞裂紋擴(kuò)展結(jié)果

Ti55 和 TA2 的力學(xué)性能參數(shù)如表1 所示 [1] 。 Ti55板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別是 TA2 板的 3. 59 倍和3. 05 倍, Ti55 板料的斷裂伸長率是 TA2 板的 27. 1%。TA2/ TA2/ TA2 和 TA2/ Ti55/ TA2 層合板的疲勞壽命分別為 30000 和 49500 次循環(huán)。 異質(zhì)層合板的疲勞壽命是同質(zhì)層合板的 1. 65 倍。 圖 2 為疲勞裂紋擴(kuò)展速率沿表面和厚度方向的變化圖。 圖中 a、 l 和N 分別表示表面裂紋長度、 厚向裂紋長度和循環(huán)次數(shù)。 由圖 2a 可知, TA2/ TA2/ TA2 和 TA2/ Ti55/ TA2層合板斷裂時(shí)沿表面方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率 da/ dN分別為 2. 99×10^-3和 2. 09×10^-3mm·cycle^-1, 異質(zhì)層合板降低了 30. 1%。 圖 2b 中, TA2/ Ti55/ TA2 異質(zhì)層合板沿厚度方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率變化很大, 從TA2 層 進(jìn) 入 TA2/ Ti55 界 面 時(shí), dl/ dN 從 2. 13 ×10^-4mm·cycle^-1快速降低至 1. 00×10-4mm·cycle^-1,降低了 53. 1%。 在中間層 Ti55 中, 疲勞裂紋擴(kuò)展速率緩慢增加, 且增速趨緩。 當(dāng)裂紋擴(kuò)展到第 3 層TA2 板時(shí), dl/ dN 從 1. 80×10^-4mm·cycle^-1快速增加至 5. 27×10-4mm·cycle^-1。

Ti55 中間層減緩了疲勞裂紋擴(kuò)展速率, 且對表面裂紋擴(kuò)展速率有明顯影響。

圖 3 所示為 TA2/ Ti55/ TA2 層合板疲勞裂紋擴(kuò)展斷面形貌圖。 表面分布的疲勞貝紋為標(biāo)識(shí)載荷所留, 由圖可知, 疲勞貝紋在異質(zhì)界面 TA2/ Ti55 處向靠近裂紋源的方向偏移; 而在異質(zhì)界面 Ti55/ TA2 處向遠(yuǎn)離裂紋源方向偏移。 這與同質(zhì)層合板斷面上以角裂紋為中心向外擴(kuò)展時(shí)的光滑連續(xù)貝紋線不同。

2、異質(zhì)層影響疲勞裂紋擴(kuò)展行為的機(jī)理研究

為揭示中間層抑制疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)理,對 TA2/ Ti55/ TA2 層合板疲勞裂紋擴(kuò)展后基體 TA2和異質(zhì)界面處進(jìn)行 EBSD 分析。 圖 4 所示為 TA2 基體和異質(zhì)界面處微觀織構(gòu)圖。 從 TA2 基體到 TA2/Ti55 界面, <0 1 1 0>晶向與軋向平行的 α 晶粒數(shù)量增加, <1 2 1 0>晶向與軋向平行的 α 晶粒數(shù)量減少。

圖 5 為 TA2 基體 (位置 1)、 TA2/ Ti55 界面靠近TA2 一側(cè) (位置 2) 和靠近 Ti55 一側(cè) (位置 3) 3個(gè)位置的極圖。 3 個(gè)位置處大部分 α 晶粒的<1 0 1 0>或<1 1 2 0>晶向平行于 RD 且 c 軸平行于 TD。 從位置 1 到位置 2, 織構(gòu)強(qiáng)度從 8. 01 增加到 13. 17, 說明界面處 TA2 一側(cè)發(fā)生晶粒旋轉(zhuǎn), 擇優(yōu)取向更明顯。 據(jù)文獻(xiàn) [11] 報(bào)道, 當(dāng)沿軋向加載時(shí), 此微觀

織構(gòu)有利于對稱棱柱滑移系 [1 1 2 0] (1100) 和[1210] (1010) 的激活, 促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展,形成疲勞輝紋 [15] 。 在擴(kuò)散連接異質(zhì)界面處, 從 TA2一側(cè)到 Ti55 一側(cè), 最大織構(gòu)強(qiáng)度從 13. 17 降至6. 91, 說明 Ti55 一側(cè)晶粒擇優(yōu)取向減弱, 則有利于減緩疲勞裂紋擴(kuò)展。

圖 6 所示為層合板 TA2 和 Ti55 層在疲勞裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定區(qū)的斷面圖, 實(shí)線所示箭頭與疲勞輝紋垂直,代表裂紋擴(kuò)展方向。 圖 6a 和圖 6b 所示斷面上相鄰的晶粒穿晶斷裂面上疲勞輝紋的方向并不相同, 這與晶粒的取向相關(guān)。 圖 6 中還可觀察到沿晶開裂和相界開裂, 分別如虛線和圓圈內(nèi)所示, Ti55 的斷面上還出現(xiàn)大量疲勞輝紋間開裂。

基于微觀形貌觀察和織構(gòu)分析發(fā)現(xiàn), 疲勞裂紋擴(kuò)展受晶粒取向影響。 隨機(jī)取向的晶粒使疲勞裂紋在晶粒邊界和相界處頻繁更改擴(kuò)展方向, 表現(xiàn)為在鄰晶粒內(nèi)擴(kuò)展時(shí)形成的疲勞輝紋的方向不同, 使疲勞裂紋擴(kuò)展速率的增速減緩。

疲勞裂紋擴(kuò)展行為受界面壁壘和裂紋前緣輪廓 [3] 、 晶粒尺寸和裂紋前端塑性區(qū)尺寸影響。 式(1) 所示為 Dugdale 模型 [16] 。

R_D= c(secπk/2 - 1) (1)

式中: R_D為裂紋前端塑性區(qū)尺寸; c 為 1/2 裂紋長度; k=σ/ σ _y , σ 為加載應(yīng)力, σ _y 為屈服應(yīng)力。

Ti55 的屈服應(yīng)力為 TA2 的 3. 59 倍, 根據(jù)式(1), 異質(zhì)界面處 Ti55 層裂紋前端塑性區(qū)尺寸小于TA2, 因此, 疲勞裂紋從 TA2 擴(kuò)展到 Ti55 時(shí), 擴(kuò)展速率降低。

圖 7 所示為 TA2 和 Ti55 的相圖。 兩者平均晶粒尺寸分別為 25 和 5μm。 Ti55 的界面壁壘如晶界和α/ β 相界比 TA2 多。 在 TA2/ Ti55 異質(zhì)界面附近,隨著晶粒尺寸突降, 界面壁壘增多, 對位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用越強(qiáng); 晶粒尺寸越小, 晶粒邊界的曲折度更高, 延緩了裂紋的擴(kuò)展。

3、結(jié)論

(1) TA2/ Ti55/ TA2 異質(zhì)層合板的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命是 TA2/ Ti55/ TA2 同質(zhì)層合板的 1.65 倍。 TA2/Ti55/ TA2 層合板沿厚度方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率變化很大, 異質(zhì)界面 TA2/ Ti55 附近, dl/ dN 降低了53.1%。

(2) 異質(zhì)界面處疲勞裂紋擴(kuò)展速率的突降是由疲勞裂紋尖端塑性區(qū)尺寸的降低、 界面壁壘的增多和減弱的織構(gòu)強(qiáng)度引起的。

參考文獻(xiàn):

[1] 吳會(huì)平.鈦合金擴(kuò)散連接界面力學(xué)性能及機(jī)理研究[D]. 上 海: 上海交通大學(xué), 2020.

WU Huiping. Study on mechanical properties and mechanism of diffusion bonding joint for titanium alloys [D]. Shanghai: Shang- hai Jiao Tong University, 2020.

[2] SURESH S. Fatigue of materials [M]. Cambridge: Cambridge U- niversity Press; 1991.

[3] WANG H, ZHAO Q Y, XIN S W, et al. Fatigue crack propaga- tion behaviors in Ti-5Al-3Mo-3V-2Zr-2Cr-1Nb-1Fe alloy with STA and BASCA heat treatments [J]. International Journal of Fatigue, 2021, 151: 106348.

[4] ZHANG K, WU X H, DAVIES C H J. Effect of microtexture on short crack propagation in two-phase titanium alloys [J]. Interna- tional Journal of Fatigue, 2017, 104: 206-220.

[5] NUKUI Y, KUBOZONO H, KIKUCHI S, et al. Fractographic a- nalysis of fatigue crack initiation and propagation in CP titanium with a bimodal harmonic structure [J]. Materials Science and En- gineering A, 2018, 716: 228-234.

[6] LU S S, BAO R, ZHANG S Q, et al. Fatigue crack growth behav- iour in laser melting deposited Ti-6. 5Al-3. 5Mo-1. 5Zr-0. 3Si alloy [J]. Materials Science and Engineering A, 2017, 690: 378-386.

[7] SASAKI L, HéNAFF G, ARZAGHI M, et al. Effect of long term aging on the fatigue crack propagation in the β titanium alloy Ti17 [J]. Materials Science and Engineering A, 2017, 707: 253 - 258.

[8] WANG K, BAO R, ZHANG T, et al. Fatigue crack branching in laser melting deposited Ti-55511 alloy [J]. International Journal of Fatigue, 2019, 124: 217-226.

[9] WU Z W, MEI J F, VOICE W, et al. Microstructure and proper- ties of diffusion bonded Ti-6Al-4V parts using brazing-assisted hot isostatic pressing [ J]. Materials Science and Engineering A, 2011, 528 (24): 7388-7394.

[10] CEPEDA-JIMéNEZ C M, OROZCO-CABALLERO A, SARKEE- VA A A, et al. Effect of processing temperature on the texture and shear mechanical properties of diffusion bonded Ti-6Al-4V multi- layer laminates [ J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 2013, 44A (10): 4743-4753.

[11] DONG Y H, HE X F, LI Y H. Effect of interface region on fatigue crack growth in diffusion-bonded laminate of Ti-6Al-4V [J]. Inter- national Journal of Fatigue, 2018, 117: 63-74.

[12] LIU Y, ZHANG Y C, LIU S T, et al. Effect of unbonded areas a- round hole on the fatigue crack growth life of diffusion bonded tita- nium alloy laminates [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2016, 163: 176-188.

[13] HE X F, DONG Y H, LI Y H, et al. Fatigue crack growth in dif- fusion-bonded Ti-6Al-4V laminate with unbonded zones [J]. In- ternational Journal of Fatigue, 2018, 106: 1-10.

[14] WU H P, AN D Y, LI T L, et al. Fatigue crack growth behavior of diffusion-bonded heterogeneous titanium alloy laminate [ J]. Materials Letters, 2023, 336: 133895.   

 [15] BANTOUNAS I, DYE D, LINDLEY T C. The effect of grain ori- entation on fracture morphology during high-cycle fatigue of  Ti-6Al- 4V [J]. Acta Materialia, 2009, 57 (12): 3584-3595.

[16] DUGDALE D S. Yielding of steel sheets containing slits [J]. Journal of Mechanics and Physics of Solids, 1960, 8 (2): 100- 104.

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