超高強(qiáng)鈦合金疲勞行為研究進(jìn)展

袁天經(jīng),張欣蔚,景家瑞,吳小文,樊亞龍,賴敏杰,李金山

（西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710072）

　　摘要：超高強(qiáng)鈦合金具有高比強(qiáng)度、高淬透性、耐損傷和優(yōu)異的耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架、機(jī)身框架和緊固件等高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的制備。在實(shí)際服役過(guò)程中，這些構(gòu)件常常在循環(huán)載荷的作用下發(fā)生疲勞失效，因此深入研究超高強(qiáng)鈦合金的疲勞失效規(guī)律和失效機(jī)理，既具有重要的科學(xué)意義，又能對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。本研究綜述了目前關(guān)于超高強(qiáng)鈦合金疲勞行為的研究，并探討了經(jīng)變形及熱處理調(diào)控的微觀組織對(duì)合金疲勞損傷機(jī)制的影響。具體關(guān)注了在雙態(tài)和全片層組織中，α相的取向體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布等特征參量對(duì)合金在疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展兩個(gè)階段內(nèi)的變形行為損傷模式的作用機(jī)理。此外，還關(guān)注了超高強(qiáng)鈦合金的疲勞性能強(qiáng)化手段，并對(duì)未來(lái)超高強(qiáng)鈦合金疲勞研究方向進(jìn)行了展望。

　　關(guān)鍵詞：超高強(qiáng)鈦合金;疲勞行為;微觀組織;裂紋萌生;裂紋擴(kuò)展

　　文中主要圖表

　?。ㄐ蛱?hào)為文中序號(hào)）

圖1 Ti-1023直升機(jī)槳轂中央件失效案例

圖2 Ti-5551合金中的裂紋萌生位置

圖3經(jīng)超高周疲勞加載后TC17鈦合金中αp的KAM圖

圖4β-CEZ合金中的裂紋萌生位置

圖5 Ti-22V-4Al合金裂紋萌生處的刻面

圖6 TC17鈦合金裂紋擴(kuò)展初期的傾斜刻面團(tuán)簇

圖7 Ti-55511合金中αp上的疲勞條紋

圖8β-C合金中的裂紋擴(kuò)展路徑

圖9 TB6鈦合金疲勞小裂紋的擴(kuò)展過(guò)程

　　結(jié)論

　　本研究對(duì)超高強(qiáng)鈦合金疲勞行為的相關(guān)研究，尤其是對(duì)疲勞裂紋萌生機(jī)制的研究進(jìn)行了綜述，并總結(jié)如下：

　　（1）等軸初生α相、針狀次生α相或片層狀次生α相均可對(duì)疲勞裂紋萌生機(jī)制產(chǎn)生重要影響。

　?。?）當(dāng)初生α相的體積分?jǐn)?shù)較高時(shí)，疲勞裂紋通常在初生α相中萌生；當(dāng)初生α相的體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，粗大的α片層集束和晶界α相也常成為裂紋萌生位置。

　　（3）當(dāng)大量的細(xì)小針狀次生α相彌散分布于β基體時(shí)，裂紋萌生轉(zhuǎn)而受β晶粒影響。

　?。?）在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展路徑受微觀組織的影響，并且只有與裂紋尖端塑性區(qū)尺寸相當(dāng)?shù)奈⒂^組織才會(huì)對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑產(chǎn)生明顯的影響。通常情況下，裂紋擴(kuò)展路徑越曲折則裂紋擴(kuò)展壽命越長(zhǎng)。

　?。?）通過(guò)合理的表面強(qiáng)化工藝處理一般可以有效提升超高強(qiáng)鈦合金的疲勞性能，其作用機(jī)理通常是在表面層引入壓應(yīng)力，以抵消一部分疲勞加載時(shí)的拉應(yīng)力；或提高裂紋閉合程度，從而降低裂紋擴(kuò)展速率。但不合理的表面強(qiáng)化工藝則會(huì)惡化疲勞性能。

　　目前關(guān)于超高強(qiáng)鈦合金裂紋萌生行為的研究大多仍局限在現(xiàn)象描述上，缺少對(duì)其主導(dǎo)微觀機(jī)制和多種機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的深入討論，對(duì)于亞表面裂紋萌生等特殊現(xiàn)象，也尚未出現(xiàn)可以被廣泛接受的解釋。此外，由于超高強(qiáng)鈦合金中αp體積分?jǐn)?shù)較小以及αs相細(xì)小且均勻彌散分布，因此需要研究β相以及α/β界面的位錯(cuò)傳遞在裂紋萌生中的作用。在探究工藝和組織對(duì)超高強(qiáng)鈦合金疲勞性能影響的工作中，應(yīng)從微觀機(jī)制的角度尋找起本質(zhì)作用的微觀因素，并關(guān)注微觀組織和疲勞性能之間定量關(guān)系的建立，以便準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超高強(qiáng)鈦合金的疲勞行為。