旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金殘余應(yīng)力及疲勞試驗(yàn)研究

苗迪迪 鄭達(dá) 鄭侃 薛楓

摘要：針對(duì)航空鈦合金零件在加工過(guò)程中存在的抗疲勞性能不足等問(wèn)題，提出了通過(guò)旋轉(zhuǎn)超聲銑削技術(shù)改善表面殘余應(yīng)力，從而提高鈦合金抗疲勞性能。重點(diǎn)開(kāi)展了旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金殘余應(yīng)力以及疲勞壽命試驗(yàn)研究，并且通過(guò)掃描電鏡對(duì)鈦合金疲勞斷口進(jìn)行了觀(guān)察。研究結(jié)果表明，與普通銑削相比，旋轉(zhuǎn)超聲銑削后鈦合金表面殘余壓應(yīng)力顯著提高，疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明旋轉(zhuǎn)超聲銑削最大可提高鈦合金疲勞壽命25%。經(jīng)疲勞斷口觀(guān)察，旋轉(zhuǎn)超聲銑削減少了裂紋源，降低了疲勞條紋寬度，有效地抑制了疲勞裂紋擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：TC4鈦合金；旋轉(zhuǎn)超聲銑削；殘余應(yīng)力；疲勞壽命；疲勞斷口

中圖分類(lèi)號(hào)：V261.2+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.012

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20171659001）

鈦合金由于具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕能力強(qiáng)以及優(yōu)異的熱處理性能而在航空航天制造業(yè)中廣泛應(yīng)用[1-2]。由于在服役過(guò)程中承受熱載荷、氣動(dòng)載荷以及其他交變載荷的作用，疲勞是引起這類(lèi)合金零部件失效的主要原因。統(tǒng)計(jì)表明，90%的航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的失效與疲勞相關(guān)[3]。隨著飛機(jī)在苛刻服役環(huán)境下對(duì)壽命要求的不斷提高，零件的抗疲勞性能已成為衡量航空產(chǎn)品使用和安全性能的核心指標(biāo)。

李玉蓮[4]基于試驗(yàn)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，降低結(jié)構(gòu)的附加彎曲應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，來(lái)提高飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞壽命。而從加工工藝方面考慮，已加工零件的表面殘余應(yīng)力作為衡量表面加工質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)加工件的疲勞性能有極其重要的影響，殘余壓應(yīng)力的分布情況可以部分抵消外加載荷，降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率，在一定程度上會(huì)提高航空零件的抗疲勞性能[5]。在此背景下，熱處理表面改性、激光加工以及噴丸、滾壓等抗疲勞制造技術(shù)在航空制造企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。外國(guó)學(xué)者Lindemann[6]等研究了噴丸對(duì)γ-TiAl合金的疲勞性能的影響，研究結(jié)果認(rèn)為鈦合金疲勞壽命的提高歸因于噴丸層殘余壓應(yīng)力的引入。Y. Fouad[7]等對(duì)比研究了噴丸和滾壓對(duì)高強(qiáng)度ZK60鎂合金高周疲勞性能的影響，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)噴丸和滾壓后疲勞極限分別提高17%和33%。然而，上述方法均是在機(jī)械加工完成后通過(guò)二次工藝來(lái)改善零件表面的殘余應(yīng)力，不僅增加了零件的研制周期，還提高了生產(chǎn)成本。

目前，旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)由于其較優(yōu)的加工表面完整性被廣泛應(yīng)用于鈦合金等航空材料的加工。Roy[8]等闡述了超聲振動(dòng)輔助銑削與傳統(tǒng)銑削加工技術(shù)在鈦合金加工上的區(qū)別，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了該技術(shù)在加工鈦合金時(shí)所取得的優(yōu)勢(shì)。王明海[9]等研究了進(jìn)給方向超聲振動(dòng)輔助銑削對(duì)銑削力的影響，結(jié)果表明，施加超聲振動(dòng)后銑削力明顯減小，當(dāng)超聲頻率超過(guò)40kHz時(shí)，工件與刀具之間的摩擦力對(duì)平均銑削力的影響較為顯著。童景琳[10]等開(kāi)展了超聲縱-扭復(fù)合銑削鈦合金刀具磨損研究。超聲縱-扭復(fù)合加工從旋轉(zhuǎn)方向內(nèi)實(shí)現(xiàn)了刀-屑分離，在銑削過(guò)程中，極大地減少了刀具后刀面對(duì)已加工表面的沖擊，刀具后刀面磨損減小，工件表面粗糙度降低，從而使得刀具壽命有所延長(zhǎng)?，F(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金的研究主要集中在切削力、切削溫度以及刀具磨損等方面。有關(guān)旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金殘余應(yīng)力以及疲勞壽命的研究鮮有報(bào)道。

因此本文重點(diǎn)開(kāi)展旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金殘余應(yīng)力和疲勞壽命試驗(yàn)，旨在闡明超聲加工對(duì)鈦合金表面殘余應(yīng)力及疲勞性能的影響，為推動(dòng)旋轉(zhuǎn)超聲銑削技術(shù)在航空先進(jìn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論技術(shù)支撐。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為T(mén)C4鈦合金，屬于（α+β）型鈦合金，比強(qiáng)度大，具有良好的力學(xué)性能，其在室溫和高溫下力學(xué)性能見(jiàn)表1。在同一塊坯料上用電火花線(xiàn)切割加工出試件，具體尺寸如圖1所示，零件試樣厚度為4mm。

本次銑削試驗(yàn)在MCV-L850加工中心上進(jìn)行。超聲裝置采用的是SY-2000G旋轉(zhuǎn)超聲加工系統(tǒng)，采用同一批號(hào)的硬質(zhì)合金刀具分別在普通銑削和旋轉(zhuǎn)超聲銑削兩種方式下進(jìn)行銑削試驗(yàn)，試驗(yàn)加工參數(shù)見(jiàn)表2。超聲電流與超聲振幅成正相關(guān)，利用超聲電流可說(shuō)明超聲振幅對(duì)鈦合金殘余應(yīng)力及疲勞壽命的影響規(guī)律。

殘余應(yīng)力試驗(yàn)將在X-350A型X射線(xiàn)衍射儀上對(duì)鈦合金工件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：靶材選擇Cu靶，衍射晶面（213），應(yīng)力常數(shù)-277MPa，電壓20kV，電流50mA，掃描步距為0.1°，入射角選用0°，15°，30°，45°。2θ掃描范圍為147°～137°。X射線(xiàn)衍射測(cè)量原理為：殘余應(yīng)力能夠改變晶面間距，用X射線(xiàn)照射工件表面會(huì)發(fā)生布拉格衍射，當(dāng)存在殘余應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的衍射峰將會(huì)移動(dòng)，而且移動(dòng)距離與殘余應(yīng)力大小相關(guān)，可據(jù)此來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力的大小。

疲勞壽命試驗(yàn)按照《金屬薄板（帶）軸向力控制疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行設(shè)計(jì)，試件尺寸如圖1所示，試件加工后的厚度統(tǒng)一為3mm。采用應(yīng)力控制循環(huán)疲勞方式試驗(yàn)，加載最大載荷630MPa，以正弦波形式進(jìn)行循環(huán)加載，加載頻率f =20Hz，應(yīng)力比R=0.1。

2結(jié)果與討論

2.1殘余應(yīng)力試驗(yàn)

已加工表面的殘余應(yīng)力分為拉應(yīng)力及壓應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力會(huì)使得表面微裂紋擴(kuò)展加快，降低工件的疲勞壽命。而殘余壓應(yīng)力則在一定程度上會(huì)提高零件的抗疲勞性能。

旋轉(zhuǎn)超聲銑削對(duì)鈦合金表面殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，如圖2所示。由圖可見(jiàn)，無(wú)論是普通銑削還是旋轉(zhuǎn)超聲銑削TC4鈦合金在銑削加工后表面均呈現(xiàn)壓應(yīng)力，但是，旋轉(zhuǎn)超聲銑削明顯可以增大鈦合金表面殘余壓應(yīng)力，且隨著超聲電流的增大殘余壓應(yīng)力呈遞增趨勢(shì)。這說(shuō)明超聲振動(dòng)的高頻沖擊作用可以增大鈦合金表面殘余壓應(yīng)力，而且，超聲電流越大，殘余壓應(yīng)力越大。同時(shí)旋轉(zhuǎn)超聲加工中刀具和工件的周期性分離特性使得超聲加工具有了斷屑功能，從而達(dá)到更好的散熱效果，增大電流，振幅增大，旋轉(zhuǎn)超聲加工的分離特性更加顯著，使得在切削過(guò)程中刀具熨壓加工表面，導(dǎo)致加工表面的殘余壓應(yīng)力值增大。

2.2疲勞壽命試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)超聲銑削對(duì)工件疲勞壽命的改善作用，對(duì)兩種加工方法下的標(biāo)準(zhǔn)試樣開(kāi)展了拉-拉疲勞壽命試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)在W+B疲勞試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖3）上進(jìn)行，分別對(duì)普通銑削和旋轉(zhuǎn)超聲銑削鈦合金進(jìn)行相同應(yīng)力水平下的疲勞壽命試驗(yàn)，繼而分析超聲對(duì)疲勞壽命的影響。

圖4為超聲電流對(duì)TC4鈦合金疲勞壽命影響曲線(xiàn)，電流為0的為普通銑削。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同加工參數(shù)、相同應(yīng)力幅值下，旋轉(zhuǎn)超聲銑削后鈦合金疲勞壽命顯著提高。超聲電流為50mA時(shí)，疲勞壽命相對(duì)普通銑削提高了15%，而當(dāng)電流為150mA時(shí)，疲勞壽命提高25%。從圖中可以看出，隨著超聲電流的增加，疲勞壽命呈遞增趨勢(shì)。這與上述殘余應(yīng)力結(jié)果相對(duì)應(yīng)，有力地說(shuō)明殘余壓應(yīng)力的提高能夠改善疲勞壽命。

2.3疲勞斷口分析

為觀(guān)察疲勞斷口形貌，將疲勞斷裂后的試件用線(xiàn)切割切下一小段斷口，然后用超聲清洗儀清洗斷口表面油污等污漬，最后擦干密封保存。本試驗(yàn)采用SU3500型掃描電鏡對(duì)斷口觀(guān)察，比較分析疲勞斷裂后的斷口形貌特征有何不同，研究超聲加工對(duì)疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展等的影響。主要對(duì)旋轉(zhuǎn)超聲銑削與普通銑削鈦合金疲勞試樣在相同應(yīng)力幅循環(huán)載荷下的斷口特征進(jìn)行比較研究。試驗(yàn)選取無(wú)超聲和超聲電流為150mA兩組疲勞試樣進(jìn)行斷口掃描電鏡觀(guān)察。

圖5為鈦合金疲勞斷口典型的宏觀(guān)形貌，可清晰觀(guān)察出疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。從圖5可以看出，無(wú)論是超聲銑削還是普通銑削，鈦合金疲勞斷口均有多個(gè)疲勞源?？梢詮膬煞矫嬖蚪忉屵@一現(xiàn)象：首先是由于疲勞試驗(yàn)高應(yīng)力導(dǎo)致的；其次是因?yàn)殁伜辖鸨砻娌⒉还饣秸瑫?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中促使裂紋萌生。但從圖中可明顯看出超聲加工后的疲勞斷口裂紋源要少于普通銑削加工。這說(shuō)明刀具的高頻振動(dòng)沖擊產(chǎn)生的硬化層和殘余壓應(yīng)力抑制了疲勞裂紋的開(kāi)裂，這也解釋了超聲加工后疲勞壽命提高的原因。

疲勞條紋是金屬疲勞斷裂最具代表性的形貌特征，廣泛應(yīng)用于分析疲勞斷裂相關(guān)機(jī)理。從圖6看出，疲勞條紋由若干近似平行的條帶組成，疲勞條紋的方向垂直于裂紋的擴(kuò)展方向。疲勞條紋的粗細(xì)以及數(shù)目可以作為定量分析疲勞斷口的依據(jù)，疲勞條紋的數(shù)目常用來(lái)表示應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)，疲勞條紋的粗細(xì)則反映出裂紋擴(kuò)展速率的快慢。在試樣斷口的擴(kuò)展區(qū)，首先，從宏觀(guān)上來(lái)看（見(jiàn)圖5），旋轉(zhuǎn)超聲銑削后的斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)域面積更大，這說(shuō)明超聲振動(dòng)的引入使得材料強(qiáng)度有一定的提高，裂紋擴(kuò)展能力降低。其次，從微觀(guān)上來(lái)看（見(jiàn)圖6），超聲銑削后的疲勞條紋更細(xì)，這表明在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，超聲銑削降低了裂紋的擴(kuò)展速率，進(jìn)而提高了疲勞壽命。這是因?yàn)槌曊駝?dòng)的高頻熨壓效應(yīng)引入了較大的殘余壓應(yīng)力，而殘余壓應(yīng)力能夠降低裂紋擴(kuò)展速率，甚至抑制裂紋擴(kuò)展。因此，旋轉(zhuǎn)超聲銑削后的試樣其微觀(guān)斷口形貌疲勞條紋更細(xì)，降低了裂紋擴(kuò)展的速率，因此抗疲勞性能得到提高。

疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸后將會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而形成瞬斷區(qū)。圖7為疲勞瞬斷區(qū)形貌，普通銑削和旋轉(zhuǎn)超聲銑削均可以發(fā)現(xiàn)大量的顯微微坑，稱(chēng)之為韌窩，韌窩尺寸大小不一，韌窩大小與加載載荷和加載頻率有關(guān)，韌窩是金屬塑性斷裂的主要微觀(guān)特征。

3結(jié)論

本文開(kāi)展了鈦合金殘余應(yīng)力和疲勞壽命試驗(yàn)研究，主要對(duì)比了普通銑削和旋轉(zhuǎn)超聲銑削兩種加工方式的差異，闡明了超聲加工提高鈦合金抗疲勞性能的機(jī)理，主要結(jié)論如下：

（1）旋轉(zhuǎn)超聲銑削與普通銑削相比，加工表面的殘余壓應(yīng)力值顯著提高，且隨著超聲電流的增大，殘余壓應(yīng)力呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。

（2）旋轉(zhuǎn)超聲銑削能夠提高鈦合金疲勞壽命，而且疲勞壽命隨超聲電流的增加呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，疲勞壽命最大可提高25%。

（3）無(wú)論是旋轉(zhuǎn)超聲銑削加工還是普通銑削加工，鈦合金疲勞斷口均為多源疲勞，但是超聲加工后的疲勞斷口裂紋源要少于普通銑削加工；超聲加工產(chǎn)生的表面殘余壓應(yīng)力層可有效地抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低裂紋的擴(kuò)展速率，進(jìn)而提高了疲勞壽命。

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（責(zé)任編輯王為）

作者簡(jiǎn)介

苗迪迪（1996-）男，碩士。主要研究方向：旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)。

Tel：18323241683E-mail：18323241683@163.com

鄭侃（1983-）男，博士，副教授。主要研究方向：旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)。

Tel：13655194980E-mail：zhengkan@njust.edu.cn

Experimental Study on Residual Stress and Fatigue of Titanium Alloy by Rotary Ultrasonic Milling

Miao Didi1，Zheng Da2，Zheng Kan1，*，Xue Feng1

1. Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China 2. AVIC Shenyang Aircraft Design Institute，Shenyang 110035，China

Abstract： Regarding the problem of aero titanium alloy parts lacking fatigue resistance in the process of machining， it is proposed to improve the surface residual stress by rotary ultrasonic milling in order to improve the fatigue resistance performance of aviation titanium alloy materials. Experiments were carried out to study the residual stress and fatigue life of titanium alloy during rotary ultrasonic milling， with the fatigue crack observed through SEM. Results shows that， compared with conventional milling， the surface residual compressive stress of titanium alloy significantly increases after rotary ultrasonic machining. Fatigue experiment shows that the fatigue life of titanium alloy can be extended by 25% maximally during rotary ultrasonic machining. Through fatigue crack observation， its found that ultrasonic machining reduces the number of crack initiations and the width of fatigue stripe， thus effectively inhibiting fatigue crack growth.

Key Words： TC4 titanium alloy； rotary ultrasonic milling； residual stress； fatigue life； fatigue fracture