超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响.pdf

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超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响1 超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响2 超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响3 超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响4 超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响5 超塑成形-扩散连接热环境对Ti-6Al-4V合金疲劳性能的影响6
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第2l卷第5期2013年10月材料科学与工艺MATERIALSSCIENCE&TECHNOLOGYV01.21No.50ct.2013超塑成形/扩散连接热环境对合金疲劳性能的影Ti一6Al一4V响韩冲,李志强,韩秀全,邵杰,韩晓宁(中航工业北京航空制造工程研究所,北京100024)—摘要:采用光学显微镜研究了Ti一6A14V合金经超塑成形/扩散连接(SPF/DB)热影响后的微观组织演变,在室温和空气条件下进行了旋转弯曲疲劳试验,并采用扫描电子显微镜对试样断口形貌进行了观察.结—果表明:Ti一6A14V。合金经历SPF/DB热工艺后,初始的双态组织转变为了等轴组织;强度有所降低,塑性略有提高,而旋转弯曲疲劳极限从420MPa降低至405MPa,在相同应力条件下(Or=431MPa),SPF/DB后试样的疲劳寿命从107量级降低至106量级;疲劳断口源区附近的放射线增粗且变的不连贯,疲劳裂纹扩展区—的疲劳条带间距增大,裂纹扩展速率提高.这主要是由于SPF/DB热环境使Ti一6A14V合金片层(It数量显著减少,降低了晶界总体长度,减弱了d相晶界对疲劳小裂纹扩展的阻碍作用.—关键词:超塑成形/扩散连接;热环境;Ti一6A14V;钛合金;旋转弯曲疲劳中图分类号:TGll5文献标志码:A——文章编号:10050299(2013)05045一06Effectofthermalenvironmentofsuperplasticeforming/diffusionbondingonthefatiguepropertiesofTi-6Al-4ValloyHANKun,LIZhi-qiang,HANXiu-quan,SHAOJie,HANXiao-ning(AVICBeringAeronauticalManufacturingTechnologyResearchInstitute,Beijing100024,China)Abstract:ThemicrostructureevolutionaffectedbySPF/DBprogresswasexaminedbyopticalmicroscopy.Thetestforrotatingbendingfatiguelimitwascarriedoutatroomtemperatureandintheatmosphericenvironment.Thescanningelectronmicroscopywasusedtoanalyzetherotatingbendingfatiguefracture.Theresults—indicatedthatthebimodalmicrostructurechangedintoequiaxedmicrostructureafterSPF/DBprocess.Tosome—extent,thestrengthdecreasedwiththeincreaseofplasticity,andtherotatingbendingfatiguelimitdecreasedfromtheoriginalvalue420MPato405MPa.Ontheconditionthatthestresswas431MPa,thefatiguelife—decreasedfrom107to106.Theradiallinesnearthecrackoriginzonechangedthickeranddiscontinuous.Theseparationbetweenfatiguestriationsinthecrackextensionzonechangedwider,whilethecrackpropagationrateincreasedafterSPF/DB.Thiswasmainlyduetothefactionoflamellaro【decreasedobviouslycausedbythermalenvironmentwhichreducedthetotallengthofthegrainboundary,andtheimpedimenteffectof—lamellar仅onthecrackpropagationwasalsodecreased.Keywords:superplasticforming/diffusionbonding;thermal—environment;Ti一6A14V;titanium;rotatingbendingfatigue钛合金比强度高,且具有优良的耐蚀性和低温特性,在航空航天、民用领域有着广泛的应用.——收稿日期:20120905.基金项目:航空基金资助项目(20091125003).作者简介:韩坤(1983一),男,硕士,工程师;李志强(1965一),男,研究员.—通信作者:李志强,Email:zqlee98@126.con.常温下钛合金的塑性加工变形抗力大、回弹和加工硬化严重,导致其成形工艺困难,产品精度低.因此钛合金成形一般采用热加工工艺克服以上缺点,同时选取合理的高温变形参数,才能得到高精度的产品.钛合金超塑成形/扩散连接工艺(SPF/DB)作为一种低成本、高减重和近无余量热加工万方数据・46・材料科学与工艺第21卷技术,改变了传统飞行器结构件所使用的连接形式,降低了零件数量和重量,提高了零件的整体性’能,已经广泛应用于世界各国宇航工业之中n3].钛合金SPF/DB技术的应用逐渐从飞机发展到发动机,由非受力构件发展到承力构件和主承力构件,其SPF/DB成形之后的疲劳性能研究对于SPF/DB构件损伤容限设计、失效分析研究等都具有重要意义.目前,国内外对Ti一6AI一4V合金的疲劳性‘能已经展开了广泛的研究H12I,而对超塑成形/扩散连接热环境对疲劳性能影响的研究较少.同时,传统的SPF/DB多使用初生o【相比例在95%以上的等轴细晶板料,热循环引起的单纯是晶粒度的变化.随着工艺的改进,板料与锻造、轧制态实体混合结构的SPF/DB构件逐渐增多.本文在此基础上,研究了SPF/DB热环境对—锻造Ti一6A14V合金微观组织、疲劳极限和疲劳断口的影响,对于SPF/DB构件的设计、原始材料组织状态的确定、工艺路线的制定等方面,提供了参考和依据.1买.验实验用Ti一6AI一4V材料为符合GJB—49388规定的棒材,在仅+13两相区模锻后,进行退火℃热处理(700~800保温1~2h,空冷),最终切割成70mm×90mmX280mm规格的方料.其化学成分见表1.—℃Ti一6A14V方料首先经890扩散连接(DB)过程,保温2h,冷却到室温后,高温装炉经℃历920超塑成形(SPF)过程,高温停留1.5h.整个SPF/DB过程的温度曲线如图1所示.旋弯疲劳极限试样为光滑圆试样(图2),尺寸依据GB/T4337--2008设计,试样长度100mm,试验段直径为4)7.5mm,表面粗糙度(Ra)为0.04¨—m.采用线切割从Ti一6A14V方料上切取4)13mm×110mm圆棒,经车削、精磨及表面精加工后获得最终设计试样.实验在室温和空气环境中进行,实验频率为3000r/min,应力比R=一1.从高于疲劳极限的应力水平开始,通过升降法测定材料在寿命N=107条件下的旋转弯曲疲劳极限,应力增量(Ao")取为20MPa.室温拉伸试验试样尺寸及实验方法依据GB/T—2282002执行.使用OlympusBX41M光学显微镜(OM)进行金相观察,以Kroll腐蚀剂处理金相试样,化学成分为1~3mLHF、2~6mLHN03、100mL水.使用LEO一1450型扫描电镜(SEM)进行疲劳试样的断口形貌观察.表1原始Ti一6A!-4V合金化学成分(质量分数/%)TiAlVFesiCNH0基6.043.920.0420.0180.0100.00860.00440.14图1SPF/I)B温度曲线其亲秒图2旋转弯曲疲劳试样2结果与讨论2.1微观组织演变图3和图4分别为原始组织和经历超塑成形/扩散连接工艺后的微观组织.图3Ti一6AI一4V原始组织—由图3可见,原始Ti一6A14V合金材料组织是由等轴初生仅相、片层次生OL相以及少量残余B相组成的双态组织,其中初生仅相的比例约万方数据第5期—韩坤,等:超塑成形/扩散连接热环境对Ti一6A14V合金疲劳性能的影响.47.30%左右.超塑成形/扩散连接之后(图4),初生仅相发生了明显的长大并连接成片,比例提高到了70%,同时片层次生d相转变组织厚度明显增大,数量显著降低.结果表明,超塑成形/扩散连接的两次热循环过程,使原始的双态组织转变为了等轴组织.图4SPF/DB后组织2.2室温力学性能及旋转弯曲疲劳极限—表2为原始及SPF/DB后Ti一6A14V合金室温力学试验结果.结果表明:SPF/DB后,抗拉强度(crb)和屈服强度(氏:)较原始材料分别降低了50和55.5MPa;同时,断面收缩率和延伸率分别提高3.3%和3.5%.表2Ti一6A!一4V合金室温力学试验结果图5和图6分别为原始材料及超塑成形/扩散连接后旋转弯曲疲劳试验升降图.常温下疲劳寿命超过107次的疲劳极限应力‘计算公式为131O'_I(107)=i1酗¨(1)式中:m为有效试验的总次数(破坏或通过数据均计算在内);/'t为试验应力水平级数;ori为第i级应力水平;秽i为第i级应力水平下的试验次数…—(江1,2,,凡).由式(1)计算得到Ti一6A14V合金原始材料的疲劳极限为盯.¨,。:原=420MPa,SPF/DB后疲劳极限为or-1flo;sPF/DB=405MPa.结果表明,经过两次热循环后,旋转弯曲疲劳的极限值降低了15MPa,虽然有所降低,但变化不大.疲劳极限与其相应的抗拉强度之比(盯。,/o-。)称为疲劳比,结合表2室温拉伸的试验结果可得,—orl(Io;原/盯b原=0.437,or一1(10:sPF/DB/盯bsPF/DB=0.年抖.以上结果表明,原始及SPF/DB后合金的疲劳比基本一致,说明热循环降低了Ti一6A1-4V合金的抗拉强度盯。,同时也降低了它的疲劳强度or一,,但疲劳比基本没有变化.由于数据量不足,抗拉强度与疲劳极限的对应关系不能简单地以比例关系描述.分析认为,材料疲劳破坏时首先发生局部塑性变形,因此屈服强度越高,其疲劳极限也‘越高141.而原始Ti一6AI一4V合金双态组织中,较高比例的片层Ot具有近似的惯习面且总体晶界较长,室温拉伸时,在晶界d处易产生位错塞积出现微区变形不均匀,故塑性较低而强度较高;而SPF/DB后的等轴组织界面周长较双态组织有所减少,同时变形主要由等轴Ot晶粒发生,故空洞形核、连接和扩展较迟.当疲劳小裂纹产生后,由于晶界对小裂纹扩展有阻碍作用u引,片层d对疲劳寿命的提高也有一定的作用.因此,相对而言,等轴组织塑性较高但强度较低,同时疲劳极限较双态组织也会有一定的降低.山苫、b1图5原始Ti一6Ai一4V疲劳试验升降图图6SPF/DB后Ti一6AI一4V疲劳试验升降图万方数据・48・材料科学与工艺第21卷2.3疲劳断口取相同应力状态(盯=431MPa)下原始和SPF/DB两种状态的Ti一6AI一4V合金的旋转弯曲疲劳断裂试样做断口观察和分析,其疲劳寿命分别为Nf原始=2049400、N㈧驯)B=266400.两种材料状态的宏观断口(图7(a),图8(a))上,都可观察到相同的特征:明显的疲劳源区(左部)、疲劳裂纹扩展区(中部)和断裂区(右部).疲二二一”∞……{g;z㈩oEd7。(cl裂纹扩谨R(试洋。hL图7原始状态(盯=431MPa,N,=2049400)断口形貌疲劳源区断面比较光亮平坦、放射状花纹较为明显;疲劳裂纹扩展区的断面则较为粗糙、发暗;断裂区面积较小,与疲劳扩展区存在明显的台阶,断口呈暗灰色,其与疲劳源区的角度偏转是旋转弯曲疲劳断裂的显著特征.图8SPF/DB状态(盯=431MPa,Nf=266400)断口形貌应用SEM观察疲劳断口的疲劳源区(图7(b)和图8(b))、疲劳扩展区(图7(c)和图8(c))和瞬断区(图7(d)和图8(d)).结果表明,—Ti一6A14V合金原始和SPF/DB的疲劳源区都万方数据第5期—韩坤,等:超塑成形/扩散连接热环境对Ti一6A14V合金疲劳性能的影响・49・位于亚表面,源区由于裂纹反复开合使两面微观磨损而呈现出非常平滑的特征,以源区为中心的放射线向四周扩展.不同的是,原始材料的放射线细而连续,断面较为平整,而SPF/DB后的放射线较粗,较不连续,整个断面不太平整.疲劳扩展区的图片均取自试样的中心位置,可以发现,在这一位置,断面由许多小断块组成,在每一断块的形态均不同,较为平整的断块上存在疲劳条带.疲劳条带与裂纹局部扩展方向相垂直,每一条疲劳条带代表一次载荷循环,同一断块上的疲劳条带是连续而平行的,但相邻小断块上的疲劳条带是不平行、不连续的¨5|.可以看出,SPF/DB后的疲劳条带明显比原始材料的条带宽,说明在相同的载荷(or=431MPa)下,在试样相同的位置,SPF/DB后裂纹扩展较快,这与该试Ⅳ样疲劳寿命仅为N卿。。=266400是相符的,说明SPF/DB后的旋转弯曲疲劳极限应力确实已经较原始材料有所降低.瞬断区是疲劳裂纹扩展到临界尺寸后失稳扩展所形成的区域015j.由图7(d)、图8(d)可知,瞬断区具有典型的塑性断裂的韧窝形貌,SPF/DB—前后的Ti一6A14V合金并无明显区别,说明两者皆具有良好的塑性.3结论—1)Ti一6A14V合金经历SPF/DB热影响后,片层Ot比例显著减少,而等轴Ot相比例从30%提高到了70%,显微组织由双态组织转变为等轴组织.—2)Ti一6A14V合金旋转弯曲疲劳极限从SPF/DB前的420MPa降至405MPa,SPF/DB前后的疲劳比基本一致,疲劳极限与抗拉强度成正—比.这主要由于SPF/DB热环境使Ti一6A14V合金片层d数量显著减少,降低了晶界总体长度,这在减少晶界对位错的塞积作用的同时,也减弱了晶界对小裂纹扩展的阻碍作用.3)Ti一6AI一4V合金在相同应力条件下(or=431MPa),SPF/DB工艺后的试样疲劳源区附近放射线较粗,断面较粗糙,而疲劳裂纹扩展区疲劳条带较宽,疲劳裂纹扩展速率提高.参考文献:[1]LEEHS,YOONJH,PARKCH,eta1.Astudyondifofusionbondingofsuperplastic——Ti-6AI-4VELIgrade[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2007,——187188:526529.[2]HAN—Wenbo,ZHANG—Kaifeng,WANG——Guofeng.Superplastieforminganddiffusionbondingforhoneycombstructureof—Ti一6A14Valloy『J].Journalof—MaterialsProcessing—Technology,2007,183:450454.[3]丁新玲,安孟长.超塑成形技术研究及其在航空航—天上的应用[J].航天制造技术,2009(1):15.DINGXin-ling,ANMeng・chang.Superplasticformingtechnologyresearchandapplicationonaerospace—industry[J].AerospaceManufacturingTechnology,—2009(1):15.[4]wuMin,ITOHT,SHIMIZUY,eta1.Lowcyclefatiguelifeof———Ti-6A14Valloyundernon・・propor-tionalloading[J].InternationalJournalofFatigue,—2012.44:1420.[5]YANYing-jie,NASHGL,NASHP.Effectofdensityandporemorphologyonfatiguepropertiesofsintered—Ti一6A14V[J].InternationalJournalofFatigue,—2013,55:8191.[6]万明攀,伍玉娇,徐平伟.TC4ELI合金显微组织对疲劳裂纹扩展速率的影响[J].材料热处理技术,—2012,41(16):2022.WAN—Mingpan.WUYu-jiao.XUPing-wei.EffectsofmicrostructureonfatiguecrackpropagationrateofTC4ELIalloy[J].Material&HeatTreatment,2012,—4l(16):2022.[7]马英杰,李晋炜,雷家峰,等.显微组织对TCAELI合金疲劳裂纹扩展路径及扩展速率的影响[J].金属—学报,2010,46(9):10861092.MA—ringjie,LI—Jinwei,LEI—Jiafeng,el—a1.InfluencesofmicrostructureOnfatiguecrackpropagatingpathandcrackgrowthratesinTC4ELIalloy[J].ActaMetallurgica—Sinica,2010,46(9):10861092.[8]吴崇周,李兴无,黄旭,等.TAl5钛合金疲劳裂纹扩展与显微组织的关系[J].稀有金属材料与工程,—2007,36(12):21282131.WU—Chongzhou,LI—XingWU,HUANGXu,eta1.Relationshipoffatiguecrackpropagationand—microstructureforTAl5alloy[J].RareMetalMaterialsand—Engineering,2007,36(12):21282131.[9]李亚国,刘海林,张少卿,等.TCll钛合金疲劳性能—及其断口特征[J].稀有金属,1998,22(4):264269.LI—Yaguo,LIU—Hailin,ZHANG—Shaoqing.eta1.Researchesonprotractedpropertiesandfracture—featuresofTCl1titaniumalloy[J].ChineseJournalof万方数据・50・材料科学与工艺第2l卷Rare—Metals,1998,22(4):264269.—[10]胡本润,吴学仁,丁传富.Ti一6A14V钛合金疲劳小裂纹扩展行为的研究[J].航空材料学报,—2000,20(3):3337.HUBen-run,WU—Xueren,DING——Chuangfu.Fatiguesmallcrackbehaviorof—Ti一6A14Valloy[J].JournalofAeronauticalMaterials,2000,20(3):—3337.[11]吴欢,赵永庆,曾卫东.疲劳裂纹扩展行为的研究现状及钛合金的疲劳裂纹扩展特征[J].稀有金属快报,2007,26(7):l一6.WUHuan,ZHAOYong-qing,ZENG—Weidong.Stateforfatiguecrackpropagationbehaviorandcha卜acteroftitaniumalloy[J].RareMetalsLetters,2007,26(7):l一6.[12]PRZYBYLACP,MCDOWELLDL.Simulatedmicro—structuresensitiveextremevalueprobabilitiesforhiIghcyclefatigueofduplex—Ti一6AI一4V[J].InternationalJournalofPlasticity,201—1,27:18711895—[13]熊茹,王理,刘桂良,等.Ti一4A12V合金高周疲劳性能研究[J].核动力工程,2010,31(4):114一[14][15]’ll7.XIONGRu,WANGLi,LIU—Guiliang,eta1.Fa・tiguebehavioroftitanium————Ti4AI2Vrodsunderhighcycleloading[J].NuclearPowerEngineering,—2010,31(4):114117.黄利军,齐立春,刘昌奎,等.Ti一1023钛合金的疲劳极限与拉伸强度的关系[J].中国有色金属—学报,2010,20(专辑1):5457.HUANGLi-jun,QILi・chun,LIUChang-kui,eta1.Relationshipbetweenfatiguelimitandtensilestren昏hofTi一1023titaniumalloys『J].TheChineseJournalofNonferrousMetals,2010,20(Special—1):5457.赵光菊,钟蜀晖,邓建华.TA6V钛合金疲劳断口形貌及断口分析[J].贵州工业大学学报,2007,36—(6):2528.ZHAOGuang-ju,ZHONGShu-hui,DENG—Jianhua.StudyonthefatiguefractureinTA6Vtitaniumalloy[J].JournalofGuizhouUniversityofTechnology,—2007,36(6):2528.(编辑程利冬)万方数据
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