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(duì)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(lái)在性能檢測(cè)過(guò)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(cè)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(duì)異常斷裂試樣進(jìn)行失效分析，并綜合考量試驗(yàn)過(guò)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(wèn)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(jiàn)表1。
通過(guò)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(kāi)放性裂紋，肉眼可見(jiàn)試樣表面發(fā)生嚴(yán)重氧化，呈灰白色，見(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(shuō)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(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行能譜微區(qū)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。
測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)試點(diǎn)中還檢測(cè)到不同含量的Si、Ｍｇ、Ｃl、Ｎａ等元素，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中存在引入外來(lái)元素的情況，推測(cè)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)程，推測(cè)捆綁熱電偶所用的石棉繩是外來(lái)Ｍｇ、Ｎａ、Ｃl等元素的主要引入物。為了進(jìn)一步驗(yàn)證推測(cè)，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(guò)雙重退火處理的TC11鈦合金棒材作為試驗(yàn)材料，按照ＧＢ／Ｔ2039—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(wú)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(kāi)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(jiàn)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(guò)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(cè)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(wèn)題。
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