TA15鈦合金鍛件裂紋分析

劉昌奎，魏振偉，趙 劍，曾 菁

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，成都 618300；6.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，成都 618000)

TA15鈦合金鍛件裂紋分析

劉昌奎1,2,3,4，魏振偉1,2,3,4，趙 劍5，曾 菁6

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，成都 618300；6.中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司，成都 618000)

TA15鈦合金鍛件在加工過程中，發(fā)現(xiàn)加工表面存在裂紋。通過對裂紋形態(tài)、裂紋斷口的宏微觀特征、裂紋金相、材質(zhì)組織及硬度等檢測與分析，得出了裂紋性質(zhì)及產(chǎn)生原因，并通過裂紋斷口溫色對比分析以及斷口微區(qū)成分分析，獲得了裂紋產(chǎn)生的溫度范圍。結(jié)果表明，TA15鈦合金裂紋為鍛造折疊裂紋，折疊裂紋在鍛造過程中發(fā)生了擴(kuò)展。裂紋主要是由于表面沒有清理干凈的氧化皮卷入所致。裂紋左側(cè)棕紅色斷口形成溫度高于800 ℃，右側(cè)灰色斷口形成溫度不高于500 ℃。

鈦合金；鍛造；折疊；溫色

0 引言

鈦合金具有高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗腐蝕性能、較寬的工作溫度范圍以及具有良好的成型性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[1-4]。如鈦合金鍛件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中作為壓氣機(jī)葉片、盤等，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中作為重要的承力框梁等。但由于鈦合金化學(xué)活性高，在熱成形或熱處理過程中會(huì)受到周圍氣氛的污染，加之其導(dǎo)熱性能差、彈性模量低，因此，對鈦合金構(gòu)件，特別是復(fù)雜和大型結(jié)構(gòu)件的鍛造要求較高，否則較易出現(xiàn)鍛造折疊、裂紋等鍛造缺陷。其中，鍛造折疊是鍛件中必然存在的一種缺陷，文獻(xiàn)報(bào)道，鈦合金鍛件缺陷中，折疊缺陷數(shù)量達(dá)到50%[5]。如果鈦合金鍛件存在的折疊缺陷在后續(xù)加工中沒有被去除，將由于構(gòu)件局部完整性被破壞，以及由此產(chǎn)生的應(yīng)力集中，會(huì)大大降低構(gòu)件疲勞壽命。導(dǎo)致鍛造折疊產(chǎn)生與多方面的因素有關(guān)，如表面氧化皮未清理干凈、毛刺擠入、坯料放置不當(dāng)、毛坯選擇不當(dāng)?shù)萚6]。

飛機(jī)用鈦合金鍛件在加工過程中發(fā)現(xiàn)加工表面有兩條裂紋，鍛件材料為TA15鈦合金。本文對鍛件裂紋及裂紋斷口進(jìn)行了宏微觀觀察，對裂紋和斷口微區(qū)成分進(jìn)行了能譜分析，對材質(zhì)進(jìn)行了金相組織檢查，確定了裂紋性質(zhì)和原因。本文的研究結(jié)果對鈦合金折疊缺陷的失效分析和預(yù)防具有較好的借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 裂紋觀察

采用體視顯微鏡對裂紋進(jìn)行宏觀觀察，采用JSM5600LV掃描電鏡對裂紋和裂紋斷口進(jìn)行微觀形貌觀察。

鈦合金鍛件機(jī)械加工后加工表面裂紋外觀形貌見圖1。裂紋距鍛件內(nèi)圓表面約6 mm，與鍛件內(nèi)圓表面呈30°左右。裂紋左側(cè)開口較寬，裂紋兩側(cè)斷面匹配特征不明顯；裂紋右側(cè)具有較明顯的匹配特征，多處存在分叉現(xiàn)象，見圖2。

掃描電鏡放大觀察，裂紋左側(cè)開口較寬處裂紋內(nèi)有明顯的夾雜物，見圖3。

圖1 裂紋外觀形貌Fig.1 Appearance of the crack

1.2 斷口觀察

將鍛件裂紋人工打開后進(jìn)行斷口觀察。

宏觀上，裂紋斷口深度在3～4.5 mm之間，左側(cè)斷口呈棕紅色，右側(cè)斷口呈灰色，兩種顏色斷口過渡區(qū)域?yàn)樗{(lán)色和金黃色，見圖4。微觀上，左右側(cè)斷口上均可見明顯的氧化物覆蓋，左側(cè)棕紅色區(qū)域氧化物呈龜裂特征，見圖5。在斷口尖端，斷裂特征為解理形貌，見圖6。

可見，人工打開斷口為韌窩斷裂特征。

圖2 裂紋左側(cè)分叉特征Fig.2 Branching feature on the left of crack

圖3 裂紋右側(cè)內(nèi)部夾雜物Fig.3 Inner inclusions at the right of crack

圖4 斷口不同區(qū)域顏色不同F(xiàn)ig.4 Different colors of the fracture

1.3 微區(qū)成分分析

在掃描電鏡上，采用能譜儀對裂紋內(nèi)夾雜物及裂紋斷口表面不同顏色區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分檢測。

裂紋內(nèi)夾雜物及裂紋斷口表面不同顏色區(qū)域能譜檢測結(jié)果見表1。結(jié)果表明，裂紋內(nèi)夾雜物和裂紋斷口表面氧化物成分主要為O、N和鈦合金基體元素。說明裂紋內(nèi)夾雜及裂紋斷口上主要為鈦合金基體的氧化物和氮化物。

圖5 斷口表面氧化物龜裂特征Fig.5 Oxide chapping feature on the fracture

圖6 斷口裂紋尖端解理斷裂特征Fig.6 Cleavage fracture characteristics at the crack tip

表1 斷口不同區(qū)域能譜檢測結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

1.4 顯微組織

垂直裂紋截取金相試樣，磨拋后采用5%HF+12%HNO3+83%H2O(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液腐蝕，采用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察。

鍛件基體材質(zhì)顯微組織為鈦合金雙態(tài)組織。裂紋兩側(cè)相對基體而言，α相含量明顯增加，富α相層深度在50～100 μm范圍，β相含量明顯減少。裂紋尖端α相含量較多，并且α相尺寸細(xì)小呈帶狀分布，見圖7。

圖7 鍛件基體雙態(tài)組織及裂紋兩側(cè)富α相組織

1.5 顯微硬度檢測

采用維氏顯微硬度儀對鍛件基體、裂紋兩側(cè)和裂紋尖端α相帶狀組織區(qū)域進(jìn)行顯微硬度檢測。

顯微硬度檢測結(jié)果見表2。結(jié)果表明，裂紋尖端顯微硬度略低于鍛件基體，裂紋兩側(cè)富α相層硬度明顯高于基體。

表2 不同位置的顯微硬度檢測結(jié)果Table 2 Micro hardness test results of different areas HV

2 分析與討論

從鍛件裂紋走向與形態(tài)、斷口宏微觀特征、裂紋金相等試驗(yàn)結(jié)果看，存在以下幾方面的特點(diǎn)：

1)鍛件裂紋走向與內(nèi)圈表面呈30°左右；

2)鍛件左側(cè)裂紋兩側(cè)匹配特征不明顯，裂紋開口較寬，裂紋內(nèi)均有較多的夾雜物，能譜分析表明均為鈦合金氧化物，未見其他異常元素；

3)裂紋兩側(cè)的金相組織主要為α相，β相含量少；

4)裂紋尖端圓鈍；

5)裂紋斷口上覆蓋一層鈦合金基體的氧化物。

以上特征均為鈦合金鍛造折疊裂紋的典型特征[7]。由此判斷，鍛件裂紋性質(zhì)為鍛造折疊裂紋。

裂紋宏微觀觀察結(jié)果表明，裂紋左側(cè)裂口較寬，裂紋內(nèi)有夾雜物，并且無明顯的匹配特征外，而裂紋右側(cè)匹配特征明顯，裂口較小且裂紋內(nèi)均無夾雜物，可見較多的二次裂紋分叉。并且斷口微觀觀察結(jié)果表明，斷口基本被氧化物覆蓋，但是裂紋尖端可觀察到解理斷裂特征，結(jié)合左側(cè)裂紋兩側(cè)無匹配性，而右側(cè)裂紋兩側(cè)匹配性良好且出現(xiàn)分叉特征，可以判斷，鍛件裂紋左側(cè)為高溫階段產(chǎn)生的鍛造折疊裂紋，而裂紋右側(cè)則為溫度相對較低的條件下，折疊裂紋擴(kuò)展所致。

裂紋斷口宏觀觀察結(jié)果表明，斷口左側(cè)為棕紅色，右側(cè)為灰色，中間過渡區(qū)為藍(lán)色和金黃色。能譜檢測結(jié)果表明，棕紅色斷口微區(qū)成分主要為N、O和鈦合金基體元素，灰色斷口主要為O和鈦合金基體元素。研究表明[8]，鈦合金斷口上顏色的差異，主要是由于所經(jīng)歷的溫度不同所致。在500 ℃時(shí)鈦合金呈現(xiàn)灰黃色，600 ℃時(shí)為藍(lán)色，650 ℃為灰藍(lán)色，750 ℃時(shí)為棕色，800～850 ℃時(shí)為棕紅色。并且，鈦合金在770 ℃開始吸氮，可在其表面形成氮污染層[9]?？梢?，鍛件裂紋斷口上顏色的差異，主要是由于裂紋形成時(shí)的溫度不同所致。其中，左側(cè)棕紅色斷口由于N元素含量較高，其對應(yīng)的裂紋形成溫度應(yīng)高于800 ℃，右側(cè)灰色斷口形成溫度應(yīng)不高于500 ℃。

鈦合金鍛造折疊裂紋，是指在金屬變形流動(dòng)過程中，已氧化的表層金屬匯合在一起而形成的近似于裂紋的鍛造缺陷。從TA15鈦合金鍛件結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)鍛造過程中金屬的變形規(guī)律分析，產(chǎn)生鍛造折疊部位不存在金屬急速大量流通的條件，也不存在變形金屬彎曲或回流的條件。由于該鍛件大量生產(chǎn)，并未在此部位發(fā)現(xiàn)類似鍛造折疊缺陷；因此，分析認(rèn)為，該折疊裂紋的產(chǎn)生，是由于表面氧化皮未清理干凈，在鍛造過程中卷入所致。

綜上所述，TA15鈦合金鍛件加工過程中發(fā)現(xiàn)的加工表面裂紋性質(zhì)為鍛造折疊裂紋，折疊裂紋在鍛造過程中發(fā)生了擴(kuò)展。其產(chǎn)生原因主要是由于鍛造過程中表面氧化皮未清理干凈所致。

針對上述原因形成的鍛造折疊缺陷，應(yīng)當(dāng)在每次鍛造之前檢查材料表面質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)翹皮、折疊、劃傷、凹槽等缺陷則利用磨光火車加工工藝加以消除[10]；在可能產(chǎn)生折疊的中間制造過程中增加磁粉探傷等無損檢測工藝，從而有效避免折疊的出現(xiàn)[5]。

3 結(jié)論

1)鈦合金鍛件加工表面裂紋性質(zhì)為鍛造折疊裂紋。

2)由鈦合金溫色對應(yīng)關(guān)系及斷口能譜分析結(jié)果可知，左側(cè)棕紅色斷口裂紋形成溫度高于800 ℃，右側(cè)灰色斷口裂紋形成溫度應(yīng)不高于500 ℃。

3)鈦合金鍛件折疊裂紋形成主要是由于表面氧化皮未清理干凈所致。

[1] 劉昌奎,劉華. TA15鈦合金焊接接頭性能與斷裂行為研究[J]. 失效分析與預(yù)防,2006,1(2):45-48.

[2] 李興無,沙愛學(xué). TA15合金及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2003,20(4-5):90-94.

[3] 陶春虎,劉慶瑔,曹春曉,等. 航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2002:30-34.

[4] 郭峰，劉德林，梁偉，等. TC17鈦合金葉盤破裂分析[J]. 失效分析與預(yù)防，2015,10(1):58-62.

[5] 齊立春,黃利軍,劉德林,等. Ti-1023鈦合金連接件鍛件折疊缺陷分析[J]. 鍛壓技術(shù),2012,37(6):27-29.

[6] 楊久強(qiáng),涂光純,吳國桐. 模鍛件鍛造折疊的分析[J]. 航天工藝,1996,36(1):4-10.

[7] 覃業(yè)軍,郭澤堯. 大盤卷冷墩鋼表面折疊、裂紋的判別及形成原因分析[J]. 金屬材料與冶金工程,2009,37(6):14-18.

[8] 張?jiān)?張愛荔,李惠娟. TC4鈦合金的表面氧化及其對疲勞性能的影響[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展,2010,27(1):25-27.

[9] 彭雯雯,曾衛(wèi)東,張堯武,等. TC18鈦合金氧化色與力學(xué)性能關(guān)系研究[J]. 稀有金屬材料與工程,2013,42(2):358-361.

[10] 盧焰,姚草根,李杰,等. GH3600精細(xì)薄壁管內(nèi)壁折疊缺陷分析[J]. 航天制造技術(shù),2009(2):34-36.

CrackAnalysisofTA15TitaniumAlloyForgings

LIU Chang-kui1,2,3,4，WEI Zhen-wei1,2,3,4，ZHAO Jian5, ZENG Jing6

(1.AECCBeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China；2.FailureAnalysisCenterofAviationIndustryCorporationofChina,Beijing100095,China；3.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China；4.AviationKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China；5.CCDCSafetyEnvironmentQualitySurveillanceandInspectionInstitute,Chengdu618300,China；6.CNEGErzhongDeyangWanhangDieForgingCo.,Chengdu618000,China)

In the process of machining, a crack was found on the surface of TA15 titanium alloy forging. Based on the analysis of macro and micro features of crack and fracture, metallographic microstructure examination and hardness testing, the mode and cause of the crack were determined. The temperature range of the crack initiation stage was obtained through the analysis and contrast of fracture temperature color and micro area composition. The results show that the crack of TA15 titanium alloy is a folding crack forming during forging, and it propagated during forging. The crack was mainly caused by the involvement of the oxide skin which hadn’t been cleaned up from the surface. The formation temperature of brownish red fracture on the left side of the crack is higher than 800 ℃, and that of the gray fracture on the right is not higher than 500 ℃.

titanium alloy; forging; folding; temperature color

2017年8月20日

2017年9月10日

劉昌奎(1976年-)，男，博士，高工，主要從事失效分析與物理冶金等方面的研究。

TH113.1

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.009

1673-6214(2017)05-0310-04