抗氧化涂层对TA32钛合金连接件疲劳性能的影响

发布时间: 2024-04-24 17:08:09    浏览次数:

随着航空航天技术的进步,高温钛合金在航空航天领域的应用越来越广泛[1] 。TA32钛合金是一种近α型高温钛合金,属于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si-Nb-Ta体系,由中国科学院金属研究所于1980年代研制成功。其具有广阔的应用和六边形紧密堆积的晶体结构[2-4] 。

通过去除对可焊性影响显著的Nd,并添加Nb和Ta等热强化元素,大幅提高了TA32合金的焊接性。这种合金表现出优异的综合性能,包括高温拉伸强度、抗疲劳性和抗蠕变性[5-6] 。钛合金高温服役过程会发生氧化,导致力学性能严重下降。高浓度的氧溶解还会导致氧脆现象。氧气通过氧化膜快速扩散并溶解于基体合金,导致基体合金表面产生脆性层,从而恶化合金的力学性能并增加开裂倾向[7] 。氧化和氧脆是影响高温钛合金塑性和热稳定性的重要因素。通过适当的表面处理提高钛合金的抗高温氧化性非常必要。

涂层覆盖在基体表面,与基体在组分或结构等存在差异,具备比基体更优越的特性。涂层的应用可以隔离构件在极端工作环境下受到的影响,例如防热、防辐射、耐磨、防腐蚀、防冲刷和防撞击等方面,以维持关键构件的最大工作性能,提高构件的疲劳性能和使用寿命。国内外对涂层抗高温氧化的研究都很活跃[8] 。

因此,针对钛合金高温抗氧化性的改善,涂覆抗氧化涂层,从而提升疲劳抗力。如今在航空飞行器的制造过程中,连接技术必不可少,机械连接占很大一部分,像飞机主要承力结构,飞机大部件对接,如机翼与机身的对接,还有一些需要经常或定期拆卸的结构件都为螺栓连接,飞机上的螺栓连接件中对抗疲劳要求高的结构还可以使用高锁螺栓[9] 。例如波音 747 上就应用了高锁螺栓 4 万件。

TA32钛合金连接件具有连接强度高、服役温度高、装拆方便等优点,可作为备选材料应用于飞机机身框架、机翼蒙皮等部位。疲劳性能是工程结构件最关注的性能之一,航空结构件更是如此[10] 。因此,研究TA32钛合金连接件的疲劳性能具有重要意义。国内外关于TA32钛合金板材的高温变形及显微组织的研究有很多报道,而关于高温氧化环境下的TA32钛合金连接件的疲劳性能少有报道。

本文作者通过分析显微组织、疲劳寿命和断口形貌,研究了抗氧化涂层对TA32钛合金连接件在高温氧化环境下的疲劳性能的影响。为TA32钛合金在航空飞行器高温环境中的工程化应用提供方法与试验依据。

1、 试验材料与方法

试验件由TA32钛合金锻件、A286螺栓、30CrMn⁃SiA螺母及垫圈组成。TA32钛合金化学成分如表1所示。表2为不同连接件的试验状态。试验件示意图如图1所示。按照HB 5143—1996要求,用PLW-100电液伺服动静万能机进行室温静态拉伸试验,选定疲劳试验的最大载荷。选未经处理、经550 ℃×100 h热处理、涂覆抗氧化涂层并进行同样热处理的 3种试样。

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然后按 HB 5287—1996在 PLW-100电液伺服动静万能试验机上进行疲劳试验,疲劳试验在室温与高温(600 ℃)下进行,试验波形为正弦波,频率为10 Hz,应力比为0.06。在疲劳断口靠近疲劳源的断裂表面截试样,观察显微组织,用 Kroll腐蚀剂(HF、HNO 3 、H 2 O的体积比为1∶2∶50)腐蚀后,用OLYMPUS光学显微镜观察显微组织;用ΣIGMA扫描电子显微镜观察断口形貌。

2 、结果与讨论

2.1 未经处理连接件试样的疲劳性能

2.1.1 疲劳寿命对比

图2为疲劳寿命柱形图。可知,TA32钛合金连接件在室温下,未经处理的试件寿命高于550 ℃×100 h热处理及涂覆涂层并热处理的试件,经热处理后疲劳寿命下降65%,此热处理是高温氧化过程,表明高温氧化对试验件的疲劳寿命不利,其疲劳抗力显著下降;然而,在涂覆抗氧化涂层后再进行相同热处理,其疲劳寿命下降60%,降幅减少,说明在室温下,通过涂覆抗氧化涂层能降低热处理中高温氧化的不利影响,提升连接件的疲劳抗力。在600 ℃下,未经处理和经热处理的试件均低于同等状态下室温的疲劳寿命,且后者比 前者疲劳寿命降低 74%。这表明除热处理外,高温600 ℃也对试件疲劳性能不利。通过对TA32钛合金连接件进行涂覆抗氧化涂层再进行550 ℃×100 h保温热处理后,其疲劳寿命较未经处理试验件显著提升24%,说明在高温600 ℃下,涂覆抗氧化涂层不仅能抵消热处理中的高温氧化且能使连接件的疲劳性能提升。由此可以看出,在高温下用抗高温和抗氧化的涂层材料可提升钛合金基体的疲劳性能。

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2.1.2 显微组织

图3为不同温度下不同状态TA32钛合金连接件的显微组织。可以看出,所有试样组织的α相均由两部分组成,分别为初生α相和β相分解产生的次生α相,初生α相为球状,次生α相是片层状;由初生α相和转变β相(片层α相和保留β相的混合组织)组成的双态组织,具有出色的综合性能,是强度、塑性、韧性、热强性的最佳匹配。

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由图3b、e可以看出,TA32钛合金连接件经550℃×100 h热处理后,其组织发生变化,在室温与高温600 ℃下的显微组织中均发现初生α相长大,次生α相粗化、长大。α相粗大,会使组织不均,易产生应力集中导致强度降低,进而导致连接件疲劳性能降低。

图3c、f为涂覆抗氧化涂层后进行热处理试样的显微组织。可以看出,初生α相与次生α相无明显变化。说明抗氧化涂层能抵消TA32钛合金连接件在热处理中高温氧化对基体的不利影响。通过抗氧化涂层在钛合金基体表面形成的致密氧化膜,使钛合金基体在室温和高温600 ℃下均有一个良好的抗高温氧化性能,进而影响TA32钛合金连接件的疲劳性能。

2.1.3 断口形貌

图4为连接件A1试样疲劳断口的宏观形貌。可以看出,断口可分为疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区。疲劳裂纹源区位于试样表面螺栓孔周围,该区域较光滑。这是由于螺栓孔周围的表面存在应力集中,而交替加载引起的应力变化促使裂纹从试样表面开始生成。在裂纹形成初期呈放射状,并逐步向内扩张,且非常密集,形成疲劳裂纹扩展区,随后裂纹逐渐稀疏。在疲劳源区,裂纹扩展速率非常缓慢,多次循环后才能形成,所以疲劳源区的断口一般比裂纹扩展区和瞬时断裂区更平坦。随裂纹的加长,裂纹张口变大,扩展速度加快,裂纹稀疏。当裂纹扩展到不足承担最大疲劳载荷时,材料瞬间断裂,形成比较粗糙的表面形貌。对于整个断口而言,疲劳源区所占的区域最小,裂纹扩展区占的面积最大,约为断口形貌的一半。瞬断区约占整个断口面积的1/3[11] 。

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图5为未经处理的TA32连接件在室温与高温下裂纹扩展区和瞬断区的断口形貌。图5a为试样在室温的裂纹扩展区微观形貌。可以看出,裂纹扩展区由河流花样、解理台阶及大量的撕裂脊、微小的二次裂纹和峭壁组成,断口表面高度有较大的起伏,裂纹走向曲折,表现出准解理特征,说明其具有穿晶开裂特征[12] 。

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图5c是高温下的裂纹扩展区微观形貌,断口表面高度起伏减缓,整体以解理断裂为主,可以看见疲劳辉纹形貌。裂纹扩展需要消耗应变能,而撕裂棱,二次裂纹和峭壁的形成都会消耗应变能。当试样的剩余连接部分不足以承受循环载荷时,会发生疲劳裂纹扩展,导致试样突然断裂。连接件A1和B1的的微观形态揭示了孔隙聚集型凹坑的特征形态,可以观察到,经历循环次数较多的试件A1断裂窝较小、较浅,而经历周期次数较少的试件B1断裂窝较大、更深(图5b、d)。这是因为寿命较长的试样具有较大的裂纹扩展区域和较小的断裂剩余区域,导致在发生足够的凹坑变形之前过早断裂。相反,寿命较短的试样表现出较大的断裂带,表明凹陷变形充分直至不足以承受断裂应力。此外,在疲劳测试期间,高温会缩短暴露表面的TA32钛合金连接件的疲劳寿命。

2.2 室温下抗氧化涂层对连接件疲劳性能的影响

图6a为热处理后在室温下疲劳试件A2的裂纹扩展区。断口表面高度无大的起伏,存在大量的解理台阶、少量撕裂棱及清晰的疲劳条,且附近伴有小韧窝。表现出准解理特征。图6b为试件A2瞬断区形貌,主要以尺寸、形状不一的解理台阶、韧窝和微裂纹组成。

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图6c为涂覆抗氧化涂层并热处理的试件A3的裂纹扩展区,表面有较大起伏,以解理断裂为主,以扇形的方式向外扩展,形成解理扇形,且存在较长的二次裂纹。

图6d为试件A3瞬断区形貌,是经典的微孔聚集型韧性断口,分布着许多典型的韧窝花样。可以看出,经热处理的试件A2疲劳断口平坦,与A1相比无太多撕裂棱、二次裂纹和峭壁存在,其裂纹扩展所需应变能相应减少,使 A2的裂纹扩展速率比A1大,导致A2的寿命小于A1;涂覆抗氧化涂层并热处理的试件A3较A2存在较长的二次裂纹,其产生需要消耗应变能,所以裂纹扩展需要消耗的应变能高,扩展速率变小,所以寿命有所提升。因为经热处理的试样A2的疲劳寿命较涂覆抗氧化涂层再热处理的试样A3小,所以图6b的韧窝较图6d小而浅。

图7为室温下有、无涂层TA32钛合金连接件的疲劳断口宏观形貌。可以看出,TA32钛合金的疲劳弧线和扩展棱线不明显。在无抗氧化涂层时,疲劳扩展棱线的起始位置均匀分布在孔的内壁,并沿水平方向扩展。而在涂覆抗氧化涂层后,断口中孔的内壁下部出现弧线扩展棱线[13] 。这是因为涂层改变了材料表面层的应力状态。抗氧化涂层的涂覆过程引入了残余应力,其在材料表面形成一种压应力状态。引入的残余压应力抑制了由位错反向滑移形成疲劳裂纹的过程,影响了疲劳裂纹的起始位置,并抑制了靠近边缘区域的疲劳裂纹的形成和扩展。这些压应力还可以缓解应力集中,并抑制裂纹扩展。加载时裂纹需要克服这些压应力才能继续扩展,从而延缓了裂纹的形成和扩展。

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2.3 600 ℃下抗氧化涂层对连接件疲劳性能的影响

图 8a 为试件 B2 的裂纹扩展区。断口表面较平坦,为河流花样,存在清晰的疲劳辉纹,每条疲劳辉纹代表一次应力循环使裂纹发生一个微小的扩展[14] ,疲劳条带及数量代表载荷循环和循环次数,而疲劳条带间距与应力强度因子幅值密切相关。疲劳条带可视为疲劳裂纹扩展速率在断口上的微观表现。图8b是试件 B2瞬断区形貌。主要以尺寸、形状不一的解理台阶、韧窝和微裂纹组成。图8c为试件B3的裂纹扩展区。表面高度起伏更大,存在大量解理台阶及微小的二次裂纹。图8d为试件B3的瞬断区。断口形貌是经典的微孔聚集型韧性断口,分布许多典型的韧窝花样。可以看出,试件 B2的断口裂纹扩展路径相对平坦,裂纹扩展路径与裂纹扩展方向单一,大多在同一维度上扩展,涂覆抗氧化涂层后,扩展路径变得复杂,裂纹沿多个方向在不同的平面间扩展。疲劳条纹密度明显高于无涂层的,且疲劳条纹的间距减小。疲劳带的间距可近似反映疲劳裂纹的增长速度。因此,可以推断涂覆抗氧化涂层后能有效降低裂纹的扩展速度,这延长了疲劳裂纹扩展的周期,进而延长了疲劳寿命,说明涂覆抗氧化涂层不仅能有效抵抗高温氧化对TA32钛合金连接件的不利影响,且能提升其高温下的疲劳性能。

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由图9a可以看出,裂纹萌生阶段的断口较光滑,粗糙度较低,疲劳裂纹源出现在表面,放射状疲劳沟线的交汇处,具有多个裂纹源特征。由图 9b可知,涂覆涂层后的断口形貌相对粗糙,裂纹源首先出现在预裂纹面的内部,然后逐渐向外延伸,裂纹延伸路径曲折[15] 。这表明,抗氧化涂层抑制了裂纹源产生且抑制了裂纹的扩展,其原因是抗氧化涂层能在高温下防止氧气与基材发生氧化反应。高温会引起基材表面生成氧化层,其与基材之间出现界面弱点,易于裂纹的形成和扩展。抗氧化涂层可以形成保护层,阻隔氧气进入 基材,从而减少了氧化层的形成,降低了裂纹的形成和扩展。从而提高了试件表面疲劳抗力,抑制了疲劳裂纹在表面的产生。延迟或阻止材料表面裂纹的形成,以及次表面裂纹源的形成,并延长了疲劳裂纹萌生的周期。

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3、 结 论

1)经550 ℃×100 h热处理,会使TA32钛合金连接件在室温与高温600 ℃下疲劳性能不同程度下降。这是由于α相粗大,使材料组织很不均匀,易产生应力集中导致强度降低,进而导致连接件疲劳性能降低。

2)室温下抗氧化涂层能抵抗热处理氧化对TA32钛合金连接件疲劳性能的不利影响。这是由于引入了残余应力,可以在材料表面形成一种压应力状态,影响了疲劳裂纹萌生的位置,抑制了靠近边缘区域的疲劳裂纹萌生和扩展。

3)在高温600 ℃下抗氧化涂层不仅能有效抵抗热处理对TA32钛合金连接件疲劳性能的不利影响,而且能提升TA32钛合金连接件的疲劳性能。相对于未处理试件提升了24%,这主要是抗氧化涂层能够在高温下防止氧气与基材发生氧化反应,降低了裂纹的形成和扩展。

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