鈦合金具有耐高溫、低密度、高比強度、高比剛度、耐腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應用。隨著(zhù)航天飛行器的發(fā)展，對其結構重量、靜動(dòng)熱載荷作用下的變形以及結構承載能力與可靠性的要求日益提升，因而耐高溫、高比強度的鈦合金鍛件成為飛行器設計的首選材料［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用，但近年來(lái)在性能檢測過(guò)程中發(fā)現其鍛件產(chǎn)品的高溫持久性能存在波動(dòng)，試樣會(huì )出現異常斷裂現象，在相同的試驗溫度和應力條件下，其高溫持久壽命為10～120ｈ不等，測試結果極不穩定。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，并綜合考量試驗過(guò)程、試驗方法和試驗環(huán)境等因素，根據分析結果進(jìn)行相應的驗證實(shí)驗，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

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T(mén)i。鍛件分別在950℃和530℃下進(jìn)行雙重退火，獲得穩定的雙態(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(guān)察高溫持久試樣表面及斷口宏觀(guān)形貌，采用ＯlＹＭＰＵＳ光學(xué)顯微鏡觀(guān)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(guān)察斷口微觀(guān)形貌，利用能譜儀進(jìn)行微區成分分析，以確定斷裂原因。

2、結果與討論

2.1宏觀(guān)形貌

觀(guān)察異常斷裂試樣表面，垂直于應力方向存在大量開(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(guān)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，坑內多為深褐色。

2.2微觀(guān)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(guān)形貌。其中，圖4ａ、4ｂ為試樣斷口附近表面微觀(guān)形貌，可以看到試樣斷口表面存在多處裂紋，開(kāi)裂方向均與應力加載方向垂直。圖4ｃ、4ｄ為試樣嚴重氧化區域表面微觀(guān)形貌，該區域試樣表面存在多處腐蝕開(kāi)裂凹坑，凹坑左右兩側表面拉伸發(fā)生微觀(guān)下陷，凹坑上下兩側因開(kāi)裂未發(fā)生塑性變形，總體表現出微觀(guān)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，凹坑處斷口呈現出解理狀脆性斷裂特征，而斷口心部呈現出微孔聚集長(cháng)大型韌性斷裂特征。解理斷裂屬于脆性斷裂，在應力作用下裂紋迅速向試樣內部擴展發(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為遠離斷口區域，圖6ｂ為試樣斷口處。試樣不同位置的顯微組織形貌特征類(lèi)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延伸導致的，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域形貌。對裂紋區域進(jìn)行能譜微區成分分析，結果見(jiàn)表2。

測試點(diǎn)1為裂紋內部絮狀殘留，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為裂紋內部側壁，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(cháng)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T(mén)iＯ2［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(shuō)明試驗過(guò)程中存在引入外來(lái)元素的情況，推測試樣表面發(fā)生了比較特殊的熱鹽應力腐蝕［5］。

2.4失效分析

在高溫和應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力腐蝕現象，最早由Ｇ．Ｗ．Ｂａｕｅｒ發(fā)現［6］。大量研究表明，高溫、應力、水和鹵鹽等是鈦合金發(fā)生熱鹽應力腐蝕的必要條件［7-9］。趙永慶等［10］研究發(fā)現，熱暴露和熱鹽暴露的交互作用使合金的熱鹽應力腐蝕性能明顯惡化。高溫持久試驗過(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，導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力作用下形成裂紋，腐蝕裂紋向內部持續擴展引起脆性開(kāi)裂，同時(shí)試樣有效受力面積減小，應力水平提高，最終導致試樣發(fā)生異常斷裂［11］。楊文濤等［12］研究發(fā)現，大多數鈦合金在高溫下與鹽類(lèi)接觸發(fā)生應力腐蝕開(kāi)裂的臨界溫度為260℃。因此，可以確定導致TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣異常斷裂的原因為高溫持久試驗過(guò)程中試樣表面發(fā)生熱鹽應力腐蝕。

分析整個(gè)高溫持久試驗過(guò)程，推測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)一步驗證推測，進(jìn)行了以下實(shí)驗。

3、熱鹽應力腐蝕原因分析

為進(jìn)一步驗證失效原因，以經(jīng)過(guò)雙重退火處理的TC11鈦合金棒材作為試驗材料，按照ＧＢ／Ｔ2039—2012要求加工標準高溫持久試樣，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。設定試驗溫度為500℃，試驗應力為590ＭＰａ。試驗前試樣均放置在超聲波清洗槽內用酒精清洗，使其表面潔凈無(wú)污染。上機時(shí)試驗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)高溫持久試驗結束后試樣的照片。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，呈藍色，且具有光澤。組一中2支腐蝕較嚴重的試樣分別在８3、105ｈ斷裂，另1支120ｈ未斷；組二中3支試樣經(jīng)120ｈ高溫持久試驗均未發(fā)生斷裂。試驗結果表明，高溫持久試驗時(shí)石棉繩會(huì )導致試樣表面發(fā)生氧化和腐蝕，導致試樣高溫持久性能異常。

為明確試驗所使用的石棉繩化學(xué)成分，分別取實(shí)驗室常用的2種石棉繩（石棉繩1為本次實(shí)驗所用石棉繩）進(jìn)行能譜分析，結果如表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(lèi)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)工藝的不同導致其微觀(guān)結構、主要成分和含水量不同［13］，但可以確定，導致產(chǎn)生熱鹽應力腐蝕的Ｍｇ、Ｎａ、Ｃl等元素均是由石棉繩引入的。

4、結論

（1）TC11鈦合金鍛件高溫持久異常斷裂試樣的斷口外圓周?chē)伎犹幎喟l(fā)生沿晶斷裂，心部為韌性斷裂。在持久試驗應力作用下，裂紋由外向內擴展導致試樣斷裂。

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

（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。

參考文獻Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

［1］劉善國．國外飛機先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展趨勢［Ｊ］．航空科學(xué)技術(shù)，2003（4）：26-29．

［2］孫聰，王向明．現代戰斗機機體結構特征分析［Ｍ］．北京：航空工業(yè)出版社，2007：32．

［3］劉向宏，李芹芹，高慧賢，等．ＴＡ15鈦合金高溫持久腐蝕行為研究［Ｊ］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2022，39（2）：12-17．

［4］劉艷明，趙興興，汪欣，等．ＢＴ25Ｙ鈦合金在600～８00℃的高溫氧化行為［Ｊ］．稀有金屬材料與工程，2022，51（4）：1332-1340．

［5］李少強，雷家峰，劉羽寅，等．Ti８11和TC4合金的熱鹽應力腐蝕行為研究［Ｊ］．腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2010，22（2）：79-８4．

［6］ＰｅｔｅｒｓｅｎＶＣ．Ｈｏｔ?ｓａlｔｓｔｒｅｓｓ?ｃｏｒｒｏSiｏｎｏｆTiｔａｎｉｕｍ：ａｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｐｒｏｂlｅｍａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｒｅSiｓｔａｎｃｅｏｆTiｔａｎｉｕｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａlｏｆｔｈｅＭｉｎｅｒａlｓ，1971，23（4）：40-47．

［7］ＭａｈｏｎｅｙＭＷ，ＴｅｔｅlｍａｎＡＳ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｈｏｔｓａlｔｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏSiｏｎｓｕｓｃｅｐTiｂｉlｉｔｙｏｆTiｔａｎｉｕｍａllｏｙｓ［Ｊ］．ＭｅｔａllｕｒｇｉｃａlＴｒａｎｓａｃTiｏｎｓＡ，1976，9（7）：1549-155８．

［８］ＷｉlｓｈｉｒｅＢ．ＯｂｓｅｒｖａTiｏｎｓ，ｔｈｅｏｒｉｅｓ，ａｎｄｐｒｅｄｉｃTiｏｎｓｏｆｈｉｇｈ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｒｅｅｐｂｅｈａｖｉｏｒ［Ｊ］．ＭｅｔａllｕｒｇｉｃａlａｎｄＭａｔｅｒｉａlｓＴｒａｎｓａｃTiｏｎｓＡ，2002，33（2）：241-24８．

［9］葉雪梅，孫斐，王燕，等．熱氧化處理對純鈦耐腐蝕性能影響的研究［Ｊ］．鈦工業(yè)進(jìn)展，2014，31（1）：21-24．

［10］趙永慶，朱康英，李佐臣，等．熱暴露和熱鹽暴露的交互作用對Ti８11合金熱鹽應力腐蝕性能的影響［Ｊ］．中國有色金屬學(xué)報，199８，８（2）：21８-222．

［11］李向欣，孫立，那桂蘭．關(guān)于金屬應力腐蝕問(wèn)題的分析［Ｊ］．中國氯堿，2004（3）：33-35．

［12］楊文濤，隆小慶．飛機上鈦合金的特殊腐蝕形式［Ｊ］．全面腐蝕控制，200８，22（2）：42-45＋26．

［13］郭盼，吳波，房龍，等．角閃石礦物化學(xué)研究進(jìn)展［Ｊ］．資源環(huán)境與工程，2022，36（3）：305-313＋320．

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