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(yīng)用于制造飛機起落架等承重承沖擊大型結(jié)構(gòu)件，而這些構(gòu)件因加工制造和應(yīng)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(yīng)力集中，增加材料的脆化趨勢，實際應(yīng)用中便容易發(fā)生突然斷裂等高危事故，尤其當(dāng)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(gòu)件，開展了大量抗疲勞技術(shù)研究，其中大部分研究都針對鈦板材料開展噴丸強化技術(shù)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(gòu)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(guān)維修標(biāo)準(zhǔn)，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(gòu)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(yīng)用，但是對于鈦合金，國內(nèi)還沒有關(guān)于再次噴丸方法進行過系統(tǒng)研究。而在國外，不少學(xué)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(guān)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(dǎo)意義。因此，科研人員選擇了新型高強鈦合金結(jié)構(gòu)材料TC18，研究再次噴丸對于經(jīng)過預(yù)先噴丸的TC18鈦合金殘余應(yīng)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(shè)計加工，為提高結(jié)構(gòu)件可靠性提供數(shù)據(jù)依據(jù)，將對鈦合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)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(biāo)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(biāo)GB/T228-1994《金屬材料室溫拉伸試驗方法》測量其室溫力學(xué)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(gòu)進行觀察；按照GB/T229-1994金屬夏比缺口沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)，將TC18鈦合金加工成55mm×10mm×10mm標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)樣沖擊過程力與時間以及沖擊功與時間的關(guān)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。