鈦合金具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著航天飛行器的發(fā)展，對其結(jié)構(gòu)重量、靜動(dòng)熱載荷作用下的變形以及結(jié)構(gòu)承載能力與可靠性的要求日益提升，因而耐高溫、高比強(qiáng)度的鈦合金鍛件成為飛行器設(shè)計(jì)的首選材料[1－2]。TC11鈦合金具有良好的高溫性能，并已得到廣泛的工程化應(yīng)用，但近年來在性能檢測過程中發(fā)現(xiàn)其鍛件產(chǎn)品的高溫持久性能存在波動(dòng)，試樣會(huì)出現(xiàn)異常斷裂現(xiàn)象，在相同的試驗(yàn)溫度和應(yīng)力條件下，其高溫持久壽命為10~120ｈ不等，測試結(jié)果極不穩(wěn)定。為了明確TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣異常斷裂的原因并制定相應(yīng)的解決措施，對異常斷裂試樣進(jìn)行失效分析，并綜合考量試驗(yàn)過程、試驗(yàn)方法和試驗(yàn)環(huán)境等因素，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以期為解決TC11鈦合金鍛件高溫持久異常斷裂問題提供參考。

1、實(shí)驗(yàn)

TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣在500℃/590MPa條件下40ｈ時(shí)發(fā)生異常斷裂，該批次鍛件化學(xué)成分為:Al6.65％，Zr1.85％，Mo3.55％，Si0.30％，其余為Ti。鍛件分別在950℃和530℃下進(jìn)行雙重退火，獲得穩(wěn)定的雙態(tài)組織，如圖1所示。退火態(tài)TC11鈦合金鍛件的室溫及500℃高溫力學(xué)性能見表1。

通過目視觀察高溫持久試樣表面及斷口宏觀形貌，采用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察異常斷裂試樣縱剖面顯微組織，使用JSM-6700掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌，利用能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析，以確定斷裂原因。

2、結(jié)果與討論

2.1宏觀形貌

觀察異常斷裂試樣表面，垂直于應(yīng)力方向存在大量開放性裂紋，肉眼可見試樣表面發(fā)生嚴(yán)重氧化，呈灰白色，見圖2。

圖3為高溫持久異常斷裂試樣斷口的宏觀形貌。

斷口心部整體呈淡黃色，由心部向邊部氧化逐漸加重，邊部存在多處凹坑，坑內(nèi)多為深褐色。

2.2微觀組織

圖4為掃描電子顯微鏡下高溫持久異常斷裂試樣表面的微觀形貌。其中，圖4ａ、4ｂ為試樣斷口附近表面微觀形貌，可以看到試樣斷口表面存在多處裂紋，開裂方向均與應(yīng)力加載方向垂直。圖4ｃ、4ｄ為試樣嚴(yán)重氧化區(qū)域表面微觀形貌，該區(qū)域試樣表面存在多處腐蝕開裂凹坑，凹坑左右兩側(cè)表面拉伸發(fā)生微觀下陷，凹坑上下兩側(cè)因開裂未發(fā)生塑性變形，總體表現(xiàn)出微觀塑性局部化，這是試樣表面發(fā)生脆化的又一特征。

圖5為高溫持久異常斷裂試樣的斷口形貌。從圖5可以看出，斷口外圓周存在多處凹坑，凹坑處斷口呈現(xiàn)出解理狀脆性斷裂特征，而斷口心部呈現(xiàn)出微孔聚集長大型韌性斷裂特征。解理斷裂屬于脆性斷裂，在應(yīng)力作用下裂紋迅速向試樣內(nèi)部擴(kuò)展發(fā)生斷裂。

圖6為高溫持久異常斷裂試樣縱剖面的金相照片，其中圖6ａ為遠(yuǎn)離斷口區(qū)域，圖6ｂ為試樣斷口處。試樣不同位置的顯微組織形貌特征類似，但斷口處存在明顯裂紋，說明試樣異常斷裂是由斷口處裂紋向內(nèi)延伸導(dǎo)致的，并非典型的塑性斷裂。

2.3能譜分析

圖7為高溫持久異常斷裂試樣表面裂紋區(qū)域形貌。對裂紋區(qū)域進(jìn)行能譜微區(qū)成分分析，結(jié)果見表2。測試點(diǎn)1為裂紋內(nèi)部絮狀殘留，其化學(xué)成分主要為O、C、Mg、Si；測試點(diǎn)2為裂紋附近表面，其化學(xué)成分主要為O、Ti，另含有少量的C、Al、Mo、Cl、Si、Na等元素；測試點(diǎn)3為裂紋內(nèi)部側(cè)壁，其化學(xué)成分主要為O、Ti、C、Al，還有少量S、Si、Cl、Mg等；測試點(diǎn)4為裂紋內(nèi)部殘留白色顆粒物，其主要化學(xué)成分為Cl、Ti、Na、Mg，各元素含量分別為45.97％、26.35％、9.55％、1.57％。

高溫持久鈦合金試樣因長時(shí)間暴露在高溫環(huán)境下，其表面發(fā)生氧化，表層主要成分為TiO₂[3－4]。

但在試樣的4個(gè)測試點(diǎn)中還檢測到不同含量的Si、Mg、Cl、Na等元素，說明試驗(yàn)過程中存在引入外來元素的情況，推測試樣表面發(fā)生了比較特殊的熱鹽應(yīng)力腐蝕[5]。

2.4失效分析

在高溫和應(yīng)力作用下的鈦合金遇到鹵化物時(shí)，會(huì)變脆甚至發(fā)生脆斷，這是一種典型的鈦合金熱鹽應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，最早由Ｇ.Ｗ.Ｂａｕｅｒ發(fā)現(xiàn)[6]。大量研究表明，高溫、應(yīng)力、水和鹵鹽等是鈦合金發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕的必要條件[7－9]。趙永慶等[10]研究發(fā)現(xiàn)，熱暴露和熱鹽暴露的交互作用使合金的熱鹽應(yīng)力腐蝕性能明顯惡化。高溫持久試驗(yàn)過程中，高溫使試樣表面發(fā)生氧化形成氧化層，而外部引入的Mg、Na、Cl等元素在高溫和濕氣作用下進(jìn)一步與試樣表面的氧化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致試樣表面氧化層疏松或開裂，為更多的鹵鹽進(jìn)入基體提供了有利條件，致使腐蝕加速。腐蝕所形成的表面點(diǎn)脆化和腐蝕凹坑在高應(yīng)力作用下形成裂紋，腐蝕裂紋向內(nèi)部持續(xù)擴(kuò)展引起脆性開裂，同時(shí)試樣有效受力面積減小，應(yīng)力水平提高，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生異常斷裂[11]。楊文濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鈦合金在高溫下與鹽類接觸發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界溫度為260℃。因此，可以確定導(dǎo)致TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣異常斷裂的原因?yàn)楦邷爻志迷囼?yàn)過程中試樣表面發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕。

分析整個(gè)高溫持久試驗(yàn)過程，推測捆綁熱電偶所用的石棉繩是外來Mg、Na、Cl等元素的主要引入物。為了進(jìn)一步驗(yàn)證推測，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。

3、熱鹽應(yīng)力腐蝕原因分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證失效原因，以經(jīng)過雙重退火處理的TC11鈦合金棒材作為試驗(yàn)材料，按照GB/T 2039—2012要求加工標(biāo)準(zhǔn)高溫持久試樣，試樣平行段表面光潔度Ra≤0.8μｍ。高溫持久試驗(yàn)分為2組，每組3支試樣，組一中3支試樣用石棉繩捆綁固定熱電偶，組二中3支試樣用鎳鉻絲捆綁固定熱電偶，固定好的熱電偶焊點(diǎn)均緊貼試樣表面。設(shè)定試驗(yàn)溫度為500℃，試驗(yàn)應(yīng)力為590MPa。試驗(yàn)前試樣均放置在超聲波清洗槽內(nèi)用酒精清洗，使其表面潔凈無污染。上機(jī)時(shí)試驗(yàn)員全程佩戴一次性棉手套進(jìn)行操作。

圖8為選用不同捆綁材料時(shí)高溫持久試驗(yàn)結(jié)束后試樣的照片。組一中3支使用石棉繩捆綁固定熱電偶的試樣表面均發(fā)生不同程度的腐蝕，表面呈灰白色，腐蝕嚴(yán)重處已發(fā)生開裂，與高溫持久異常斷裂試樣表面狀態(tài)一致。組二中3支使用鎳鉻絲捆綁熱電偶的試樣表面未見灰白色腐蝕產(chǎn)物，僅發(fā)生了輕微氧化，呈藍(lán)色，且具有光澤。組一中2支腐蝕較嚴(yán)重的試樣分別在83、105ｈ斷裂，另1支120ｈ未斷；組二中3支試樣經(jīng)120ｈ高溫持久試驗(yàn)均未發(fā)生斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫持久試驗(yàn)時(shí)石棉繩會(huì)導(dǎo)致試樣表面發(fā)生氧化和腐蝕，導(dǎo)致試樣高溫持久性能異常。

為明確試驗(yàn)所使用的石棉繩化學(xué)成分，分別取實(shí)驗(yàn)室常用的2種石棉繩(石棉繩1為本次實(shí)驗(yàn)所用石棉繩)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，石棉繩1與石棉繩2中均含有O、C、Si、Mg、Cl等元素，元素種類及含量因石棉繩不同而存在差異。查閱相關(guān)石棉繩資料了解到，石棉繩因產(chǎn)地、成礦條件、生產(chǎn)工藝的不同導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)、主要成分和含水量不同[13]，但可以確定，導(dǎo)致產(chǎn)生熱鹽應(yīng)力腐蝕的Mg、Na、Cl等元素均是由石棉繩引入的。

4、結(jié)論

(1)TC11鈦合金鍛件高溫持久異常斷裂試樣的斷口外圓周圍凹坑處多發(fā)生沿晶斷裂，心部為韌性斷裂。在持久試驗(yàn)應(yīng)力作用下，裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂。

(2)高溫持久試驗(yàn)過程中捆綁熱電偶的石棉繩中含有Mg、Na、Cl等元素，高溫高應(yīng)力導(dǎo)致鈦合金材料發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，影響TC11鈦合金高溫持久性能測試的穩(wěn)定性。

(3)采用鎳鉻絲替代石棉繩捆綁熱電偶，試樣表面未發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，有效解決了TC11鈦合金高溫持久試樣異常斷裂問題。

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