新型α＋β雙相鈦合金疲勞性能的研究

TC18為一種新型α＋β雙相鈦合金，名義成分Ti-5A1-5Mo-5V-1Cr-lFe，不僅具有普通鈦合金的特性，而且還具有良好的韌性和淬透性，淬透深度可達250mm，因此被廣泛應用于制造飛機起落架等承重承沖擊大型結(jié)構件，而這些構件因加工制造和應用環(huán)境的要求，不可避免地存在各種缺口，如鍵槽、臺階、螺紋、油孔、刀痕等等。由于缺口的存在，零件受載時便會在缺口處形成應力集中，增加材料的脆化趨勢，實際應用中便容易發(fā)生突然斷裂等高危事故，尤其當零件受沖擊載荷時，這種趨勢就更明顯，而潛在危險性更大。

近年來，國內(nèi)外針對鈦合金承力構件，開展了大量抗疲勞技術研究，其中大部分研究都針對鈦板材料開展噴丸強化技術研究以提高疲勞性能。然而，對于經(jīng)過一定 時間服役的航空鈦合金構件，原先噴丸產(chǎn)生的強化效果隨著服役時間的延長而逐漸弱化，按照國外相關維修標準，需要進行返廠噴丸，即再次噴丸（Re- shot-peening，RSP）。起落架是飛機的主承力構件，采用高強度材料制造的起落架部件服役時受到高周疲勞的作用，容易發(fā)生疲勞失效。目前，再次噴丸已經(jīng)在航空工業(yè)，特別是航空發(fā)動機和起落架維修方面得到了少量應用，但是對于鈦合金，國內(nèi)還沒有關于再次噴丸方法進行過系統(tǒng)研究。而在國外，不少學者已經(jīng)針對再次噴丸這一工程問題展開了較系統(tǒng)的研究。國外文獻關于再次噴丸的研究主要集中在再次噴丸對疲勞性能影響方面，對于再次噴丸周期的選擇，涉及較少，而選擇合適的再次噴丸周期，對于實際維修工業(yè)具有現(xiàn)實的指導意義。因此，科研人員選擇了新型高強鈦合金結(jié)構材料TC18，研究再次噴丸對于經(jīng)過預先噴丸的TC18鈦合金殘余應力和室溫疲勞壽命的影響。

目前未曾見到針對TC18鈦合金沖擊缺口敏感性的研究報道，本研究旨在對TC18鈦合金零件的設計加工，為提高結(jié)構件可靠性提供數(shù)據(jù)依據(jù)，將對鈦合金在航空領域的應用具有重要的指導意義。實驗采用經(jīng)雙重退火的模鍛件材料，雙重退火按照國軍標GJB3763A-2004進行，在830℃保溫2h，爐冷至750℃再保溫2h，空冷，然后加熱至570℃保溫4h，空冷。按照國標GB/T228-1994《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測量其室溫力學性能；采用D/maxX射線衍射儀進行物相分析，用JXA-8100電子探針和JEM-2100F透射電鏡對其顯微組織結(jié)構進行觀察；按照GB/T229-1994金屬夏比缺口沖擊試驗標準，將TC18鈦合金加工成55mm×10mm×10mm標準試樣，在試樣上以慢走絲線切割的方式開不同深度的V型缺口，缺口根部曲率半徑r為（0.25±0.025）mm，表面精度Ra不超過1.6μm，缺口深度依次從0.2cm以0.02cm遞減至0cm（平滑試樣），共11種缺口深度，每種缺口深度試樣測試3次，取平均值，得到?jīng)_擊功Ak，根據(jù)沖擊功與沖擊韌性關系公式（ak=Ak/S，S為缺口處試件的橫截面積）計算得到?jīng)_擊韌性值ak。采用NI500型儀器化擺錘沖擊試驗機記錄帶有0.2cm缺口深度標準樣沖擊過程力與時間以及沖擊功與時間的關系曲線，并用JSM-5800掃描電鏡對沖擊斷口進行觀察分析。試樣在沖擊中，沖擊功與沖擊韌性均隨缺口深度的減小而增大。平滑試樣不發(fā)生斷裂而只是彎曲變形，沖擊韌性值為139.51J/cm2，而缺口深度0.02cm的試樣斷裂且沖擊韌性值僅為77.92J/cm2，故材料對缺口十分敏感。