引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片和鈦合金整體葉盤等部件在焊接制造過程中，由于焊接溫度已經(jīng)超過鈦合金的相變溫度，因此會(huì)導(dǎo)致焊接部位由α+β雙態(tài)組織轉(zhuǎn)變成其他組織形貌，降低了該部位的疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而導(dǎo)致從焊接部位斷裂的故障時(shí)有發(fā)生[1-2]。由于焊接后鈦合金的組織狀態(tài)發(fā)生了變化，那么焊縫處的抗疲勞性能裕度設(shè)計(jì)就不能按照材料數(shù)據(jù)手冊(cè)當(dāng)中α+β雙鈦組織力學(xué)性能來考慮，因此開展TC4合金過渡態(tài)組織的疲勞性能試驗(yàn)，研究過渡態(tài)組織下TC4鈦合金的高周疲勞性能變化情況是很有必要的。

此研究不僅可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣、轉(zhuǎn)子葉片和鈦合金整體葉盤等焊接工藝選擇優(yōu)化及強(qiáng)度計(jì)算分析提供數(shù)據(jù)支持，并且可以為其在設(shè)計(jì)階段采用合理的焊接工藝及設(shè)計(jì)改進(jìn)提供技術(shù)依據(jù)，同時(shí)可對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

本文主要針對(duì)TC4型鈦合金在5種熱處理狀態(tài)下的高周疲勞性能進(jìn)行了研究，通過測(cè)定其疲勞強(qiáng)度，分析組織狀態(tài)的變化對(duì)TC4型合金高周疲勞性能的影響。

1、試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)結(jié)果

1.1試驗(yàn)計(jì)劃

TC4合金的相變溫度為882.2℃，焊接部位焊接區(qū)域和熱影響區(qū)受熱溫度不同，造成焊接結(jié)束后兩區(qū)域組織不同，因此在700~1100℃溫度區(qū)間選取5個(gè)溫度點(diǎn)（700℃、800℃，900℃、1000℃、1100℃）對(duì)TC4合金進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為退火，退火時(shí)間2h，充分保證鈦合金試樣組織變化完全。對(duì)以上5種不同熱處理狀態(tài)及室溫下的TC4合金開展室溫高周疲勞試驗(yàn)，測(cè)定疲勞強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示，分析組織狀態(tài)的變化對(duì)TC4合金高周疲勞性能的影響。

1.2試驗(yàn)件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)備

經(jīng)不同熱處理TC4胚料機(jī)將試驗(yàn)件加工成漏斗形高周拉伸試樣，試樣尺寸如圖1所示。高周疲勞試驗(yàn)采用瑞士Rumul8604-128型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)。

1.3試驗(yàn)結(jié)果

1.3.1高周疲勞試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)各熱處理狀態(tài)下TC4合金在室溫、R=0.1條件下的高周疲勞性能，疲勞強(qiáng)度計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2—表13所示。去掉各組試驗(yàn)的異常數(shù)據(jù)，不同應(yīng)力對(duì)應(yīng)的壽命如圖2—圖7所示。

1.3.2組織形貌

TC4合金經(jīng)不同溫度熱處理后的組織形貌如圖8所示。隨著熱處理溫度的升高，TC4合金組織形貌的由α+β雙鈦組織轉(zhuǎn)變成魏氏組織。

1.3.3高周疲勞斷口分析

TC4合金經(jīng)不同溫度熱處理后的高周疲勞斷口形貌如圖9所示。在鈦合金熱處理溫度在900℃以下的時(shí)候，斷口表面較平坦，可見到明顯的疲勞弧線和放射棱線特征，當(dāng)熱處理溫度超過1000℃，斷口表面起伏較大。

2、分析與討論

將不同溫度熱處理的鈦合金試樣的高周疲勞極限擬合成曲線，如圖10所示。從圖10可以看出，隨著熱處理溫度的升高，鈦合金疲勞極限呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是不是呈線性的下降，從表14中可以看出，鈦合金在室溫狀態(tài)下和經(jīng)過700℃熱處理后的疲勞極限略有下降，說明在700℃的熱處理對(duì)TC4合金組織狀態(tài)幾乎沒有影響，隨著熱處理溫度的提高，TC4合金組織狀態(tài)慢慢發(fā)生變化，當(dāng)熱處理溫度超過鈦合金的相變溫度時(shí)，α相到β相的相變過程通常會(huì)伴隨著合金元素的再分配過程，元素的再分配會(huì)影響相變過程、相的成分及構(gòu)件的力學(xué)性能[3-5]。

鈦合金在正常狀態(tài)下，Al元素會(huì)在α相中富集，而V元素會(huì)在β轉(zhuǎn)變組織中富集，這一現(xiàn)象被稱作合金元素的分配效應(yīng)。當(dāng)熱處理溫度接近相變溫度甚至超過相變溫度時(shí)，Al元素（或者V元素）的濃度梯度會(huì)大幅度下降。這一現(xiàn)象主要由兩個(gè)原因引起：在熱處理過程中，當(dāng)熱量輸入超過相變點(diǎn)時(shí)，這些熱量一方面會(huì)促使初生α相發(fā)生相變并轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;相，另一方面也會(huì)為原子擴(kuò)散提供更多的能量。以上兩點(diǎn)都會(huì)使得α相（β轉(zhuǎn)變組織）中的Al元素（V元素）的濃度梯度降低，進(jìn)而導(dǎo)致鈦合金抗疲勞極限的下降。

關(guān)于1100℃熱處理下的合金疲勞極限反而比1000℃熱處理下的合金疲勞極限高，可能原因就是1100℃熱處理過程提供的熱量更多，原子擴(kuò)散及Al元素（V元素）的重新分配比較充分，1100℃下的魏氏組織狀態(tài)較1000℃的組織狀態(tài)好，導(dǎo)致1100℃熱處理下的鈦合金疲勞極限反而升高。

3、結(jié)論

1）鈦合金在室溫、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃六種狀態(tài)下TC4合金的疲勞強(qiáng)度分別為782.7MPa、780MPa、725.6MPa、660MPa、553.3MPa和590MPa，均滿足95%置信度。

2）隨著熱處理溫度的升高，TC4合金的高周疲勞強(qiáng)度逐漸降低，1100℃熱處理狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度略高于1000℃熱處理狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度。

3）熱處理過程中產(chǎn)生的元素再分配過程是導(dǎo)致鈦合金高周疲勞極限隨著熱處理溫度的升高而降低的主要原因。

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