海洋環(huán)境下鈦合金主要服役性能研究

董月成，方志剛，常 輝，淡振華，孫洋洋，李兆峰

(1. 南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816) (2. 中國人民解放軍92228部隊(duì)，北京 100072)(3. 中國船舶重工集團(tuán)第七二五研究所，河南 洛陽 471000)

1 前 言

鈦合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異耐腐蝕性能、耐高溫和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在化工、航空、航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。相比而言，鈦合金在海洋工程領(lǐng)域用量偏少。據(jù)統(tǒng)計，2018年中國各應(yīng)用領(lǐng)域鈦加工材使用量所占比例中，海洋工程僅占4%，船舶占3%[4]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國、俄羅斯等海洋強(qiáng)國的鈦應(yīng)用水平。隨著我國海洋裝備朝著下潛深度更深、大噸位艦船、走向更遠(yuǎn)海域、高航速、高機(jī)動性、高負(fù)載、高隱身性、高防護(hù)能力、高在航率、低成本的方向發(fā)展[5]，對鈦合金的需求也將越來越突出。然而，目前對海洋環(huán)境下鈦合金壓縮蠕變、低周疲勞和應(yīng)力腐蝕等服役性能研究較少，導(dǎo)致裝備設(shè)計單位和應(yīng)用單位選材困難，極大限制了鈦合金在我國海洋工程裝備上的應(yīng)用。Miller等[6]詳細(xì)研究了組織、溫度和應(yīng)力水平對Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo鈦合金蠕變行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力低于拉伸屈服強(qiáng)度，環(huán)境溫度下的蠕變曲線會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，原始魏氏組織結(jié)構(gòu)的蠕變應(yīng)變最高。Tan等[7]研究了TC21合金等軸組織和片層組織的低周疲勞性能，并對疲勞機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：等軸組織比片層組織具有更高的強(qiáng)度、韌性和更長的疲勞壽命。Pilchak等[8]研究了Ti-8Al-1Mo-1V合金在NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂行為，發(fā)現(xiàn)該合金在開裂過程中會形成晶體學(xué)取向的刻面，并且在刻面上還存在與氫化物有關(guān)的局部塑性流動現(xiàn)象。我國對海洋環(huán)境下鈦合金的服役失效研究，主要側(cè)重于計算機(jī)模擬和裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面[9-14]，對于材料本身組織結(jié)構(gòu)對服役性能影響的研究缺乏。TC4 ELI合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，被廣泛地應(yīng)用在石油化工、航空航天和船舶領(lǐng)域。本文針對TC4 ELI鈦合金在海洋環(huán)境下服役面臨的壓縮蠕變、低周疲勞和應(yīng)力腐蝕問題，研究了TC4 ELI鈦合金不同組織狀態(tài)對相關(guān)服役性能的影響，為該合金的應(yīng)用提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的鈦合金為軋制態(tài)TC4 ELI合金板材，具體成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)：Al 6.20，V 4.28，F(xiàn)e 0.072，C 0.010，H 0.003，O 0.076，N 0.007，Ti 余量。經(jīng)過差示掃描量熱法測定該合金的β轉(zhuǎn)變溫度(Tβ)為953 ℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 壓縮蠕變

國內(nèi)目前還缺乏壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)在南京工業(yè)大學(xué)自主設(shè)計的鈦合金壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行。加載應(yīng)力分別為695，794，843，893和1092 MPa，實(shí)驗(yàn)時間為1500 h。

2.2.2 低周疲勞

低周疲勞實(shí)驗(yàn)按照國標(biāo)GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》要求，在MTS 370電液伺服低周疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用對稱循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力控制，應(yīng)力水平分別為600，650，700和750 MPa，應(yīng)力比r=-1，實(shí)驗(yàn)采用的循環(huán)波形為梯形波，加載頻率為0.1 Hz，保載2 s。以疲勞斷裂為材料失效的判定依據(jù)。

2.2.3 應(yīng)力腐蝕

按照GB/T 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》要求，在INSTRON1343疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同組織狀態(tài)試樣的延性斷裂韌度JIC測試，進(jìn)而根據(jù)JIC與平面應(yīng)變斷裂韌度KIC的轉(zhuǎn)化關(guān)系求得各試樣的KIC值。應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)參照GB/T 15970.6—2007《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第六部分：恒載荷或恒位移下預(yù)裂紋試樣的制備和應(yīng)用》要求進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時間1800 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 組織形貌

圖1是TC4 ELI合金試樣經(jīng)過不同熱處理工藝處理后的組織照片，圖1a中組織由初生等軸α相+次生片狀α相+晶間β相組成，呈現(xiàn)雙態(tài)組織特征；圖1b中組織由均勻交織的長條狀α相組成，呈現(xiàn)網(wǎng)籃組織特征；圖1c中組織為片狀α相+晶界α相+晶間β相組成，原始β晶界完整，存在粗大集束，長而平直，呈現(xiàn)典型魏氏組織特征。

圖1 TC4 ELI合金雙態(tài)(a)、網(wǎng)籃(b)和魏氏(c)組織金相照片F(xiàn)ig.1 Metallographs of TC4 ELI alloys: (a) duplex, (b) basketweave, (c) Widmanstatten

3.2 壓縮蠕變性能

圖2是雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織TC4 ELI合金在不同外加應(yīng)力條件下的蠕變曲線，從圖中可以看出：所有試樣經(jīng)過1500 h的壓縮后，蠕變曲線表現(xiàn)為初始階段和穩(wěn)態(tài)階段[9]，蠕變總變形量隨著外加應(yīng)力的增大而增大。在相同外加應(yīng)力條件下，網(wǎng)籃組織的TC4 ELI的蠕變變形量要小于雙態(tài)組織，且初始蠕變時間更長。從圖2還可以看到，合金的瞬時應(yīng)變量在外加應(yīng)力從893增至1092 MPa時發(fā)生了突增，初始蠕變量也急劇增大。

圖2 雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織TC4 ELI合金在不同外加應(yīng)力下的蠕變曲線Fig. 2 Creep curves of TC4 ELI alloys with duplex and basketweave microstructures under different stress level

圖3是兩種組織TC4 ELI合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨外加應(yīng)力變化的關(guān)系曲線，可以看出在相同的外加應(yīng)力狀態(tài)下，雙態(tài)組織的穩(wěn)態(tài)壓縮蠕變速率大于網(wǎng)籃組織的，說明TC4 ELI雙態(tài)組織穩(wěn)態(tài)蠕變速率對外加應(yīng)力的敏感性更強(qiáng)。雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織的TC4 ELI合金在794 MPa外加應(yīng)力條件下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率分別為3.11×10-9和2.09×10-9s-1；當(dāng)外加應(yīng)力提高至1092 MPa，穩(wěn)態(tài)蠕變速率也隨之分別增大為4.07×10-8和2.12×10-8s-1，此時雙態(tài)組織的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為網(wǎng)籃組織的兩倍，反映出網(wǎng)籃組織具有更好的室溫抗壓縮蠕變性能。

圖3 雙態(tài)組織和網(wǎng)籃組織TC4 ELI合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率和應(yīng)力關(guān)系Fig.3 The steady creep rate-stress curves of TC4 ELI alloys

3.3 低周疲勞性能

雙態(tài)組織和魏氏組織TC4 ELI合金的低周疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥吹?，在同等應(yīng)力水平下，雙態(tài)組織試樣具有比魏氏組織試樣更長的疲勞壽命。以600 MPa應(yīng)力幅下的低周疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，魏氏組織試樣的平均疲勞壽命為6742次，而雙態(tài)組織試樣的平均疲勞壽命達(dá)到了15 106次，是魏氏組織的2倍多。隨著應(yīng)力幅值的提高，雙態(tài)組織和魏氏組織試樣的低周疲勞壽命均發(fā)生明顯下降，每提高50 MPa應(yīng)力，疲勞壽命降低到原來的50%及以上。

表1 TC4 ELI合金的低周疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所獲得的低周疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了應(yīng)變幅隨著循環(huán)次數(shù)變化的變化曲線(如圖4)，雙態(tài)組織和魏氏組織試樣在較低的應(yīng)力水平(600 MPa)下，低周疲勞過程中的應(yīng)變幅值隨著循環(huán)次數(shù)的增加基本保持穩(wěn)定，呈現(xiàn)出循環(huán)穩(wěn)定的特征；而在較高的應(yīng)力水平(750 MPa)下，材料的應(yīng)變幅值會隨著低周疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而增加，材料呈現(xiàn)一種循環(huán)軟化特性。

圖4 雙態(tài)組織和魏氏組織TC4 ELI合金的應(yīng)變幅-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.4 Strain amplitude vs. cycles to failure curves of TC4 ELI alloy

圖5 雙態(tài)組織和魏氏組織TC4 ELI合金的應(yīng)力幅-壽命曲線Fig.5 Stress amplitude vs. fatigue life curves of TC4 ELI alloys

圖5是雙態(tài)組織和魏氏組織TC4 ELI合金試樣的低周疲勞應(yīng)力幅-壽命曲線，可以看出，在相同應(yīng)力下，雙態(tài)組織試樣的疲勞壽命都優(yōu)于魏氏組織，換言之，在達(dá)到相同疲勞壽命的情況下，相比于魏氏組織，雙態(tài)組織試樣能夠承受更高的外載荷，疲勞性能明顯優(yōu)于魏氏組織。另一方面，隨著應(yīng)力幅值的增加，TC4 ELI合金雙態(tài)組織和魏氏組織的疲勞壽命變化趨勢相似，表現(xiàn)為擬合直線的斜率沒有明顯區(qū)別。

3.4 應(yīng)力腐蝕性能

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試和計算，TC4 ELI合金雙態(tài)組織的斷裂韌性為65.59 MPa·m1/2，魏氏組織的斷裂韌性為70.38 MPa·m1/2，說明魏氏組織阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展的能力較強(qiáng)。

TC4 ELI合金雙態(tài)組織應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI值為56.01 MPa·m1/2及以下時，未發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展；KI值進(jìn)一步增大，當(dāng)達(dá)到58.19 MPa·m1/2時，發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展，說明TC4 ELI雙態(tài)組織的應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC=56.01 MPa·m1/2。TC4 ELI合金魏氏組織應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。當(dāng)KI值達(dá)到67.48 MPa·m1/2時，未觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，說明魏氏組織的應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC>67.48 MPa·m1/2，接近斷裂韌性值。顯然，相比于雙態(tài)組織，魏氏組織的抗應(yīng)力腐蝕性能更好。

表2 TC4 ELI合金雙態(tài)組織應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC

表3 TC4 ELI合金魏氏組織應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC

4 結(jié) 論

本文研究了不同組織的TC4 ELI合金在海洋環(huán)境下主要的服役性能，主要結(jié)論如下：網(wǎng)籃組織TC4 ELI合金壓縮蠕變性能優(yōu)于雙態(tài)組織；雙態(tài)組織TC4 ELI合金低周疲勞性能優(yōu)于魏氏組織；魏氏組織TC4 ELI合金抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于雙態(tài)組織。

通過本文的研究可以發(fā)現(xiàn)，TC4 ELI鈦合金不同組織對服役性能影響很大，而對于不同的服役性能，組織的影響程度也存在差異。此外，除了組織形貌，其組成相的尺寸、比例和分布等都對性能會產(chǎn)生影響。因此，需要在研究鈦合金失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)和相關(guān)性能，并根據(jù)海洋環(huán)境下裝備的服役工況進(jìn)行鈦合金選材，全面提高裝備性能。