發(fā)布日期：2025-2-9 10:20:53
鈦及鈦合金因具有密度小、耐熱性好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、石油化工、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,尤其在飛機(jī)減重、改善性能方面發(fā)揮著日益重要的作用[1-3]。
TA15鈦合金是一種高鋁當(dāng)量的近α型鈦合金,成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V[4]。該合金既具有α型和α＋β型鈦合金的許多優(yōu)點(diǎn),又具有中等的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度,以及良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能[5],其在航空領(lǐng)域多采用機(jī)械加工、焊接、鈑金成形等工藝,用于框、梁、壁板類、蒙皮類零件的制造。對于復(fù)雜壁板類零件,確保原材料具有強(qiáng)度、塑性相匹配的綜合力學(xué)性能是其加工成形的關(guān)鍵。作為金屬材料力學(xué)性能的重要指標(biāo),彎曲性能對于評價(jià)材料塑性成形能力有著重要意義,被廣泛應(yīng)用于原材料的性能檢測。
TA15鈦合金板材在彎曲變形過程中彎折外側(cè)受到拉應(yīng)力,彎折內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力,在拉、壓應(yīng)力共同作用下發(fā)生彈性和塑性變形,當(dāng)塑性變形階段的變形量超出板材自身塑性所能承受的最大延伸量時(shí),板材將不可避免地發(fā)生開裂。鈦合金板材在成形過程中,材料本身的微觀組織和這些微觀組織在變形過程中的變化決定了材料的成形性能[6]。TA15合金對熱處理強(qiáng)化不敏感,因此只能對其進(jìn)行退火處理[７],退火后的組織為初生等軸α＋β轉(zhuǎn)變片層組織,其本身具有良好的綜合力學(xué)性能。而TA15鈦板在彎曲變形過程中,總是在接觸彎芯處(曲率半徑最大)的外表面承受最大拉應(yīng)力,若此處表面存在尖銳或較深劃痕、硬脆α污染層等表面缺陷,則更容易在缺陷處形成預(yù)制裂紋源,進(jìn)而引起開裂。本文中研究不同表面處理工藝對TA15鈦合金板材彎曲性能的影響,通過對比分析以及極限彎曲性能試驗(yàn),確定最佳的表面處理工藝。
1、試驗(yàn)材料及方法
彎曲試樣使用的材料是退火狀態(tài)下的TA15鈦合金板材,厚度為5mm,寬度為15mm,取樣方向?yàn)闄M向(垂直于軋制方向)。鈦合金板材表面處理主要采用機(jī)械處理法、化學(xué)處理法、激光處理法等[8]。為探索不同表面處理工藝對板材彎曲性能的影響,本文中對彎曲試樣進(jìn)行了不同工藝的表面處理,彎曲試樣形貌如圖1所示。其中,拋光處理使用120＃千葉輪手工進(jìn)行;酸洗處理使用含30％~40％(體積分?jǐn)?shù))硝酸與3％~7％(體積分?jǐn)?shù))氫氟酸的溶液,整體減薄0.06~0.08mm。
為研究不同表面處理工藝對板材彎曲性能的影響,分別開展下列試驗(yàn)。
(1)粗糙度檢測:使用TR100Ａ型粗糙度測量儀對不同表面處理工藝下的試樣進(jìn)行粗糙度測量,并對測量結(jié)果進(jìn)行對比分析。
(2)表面微觀形貌SEM觀測:利用掃描電鏡對板材試樣表面的微觀形貌進(jìn)行觀測,深入分析不同處理工藝對板材表面的影響。
(3)極限彎曲試驗(yàn):開展極限彎曲試驗(yàn),不斷增大彎曲角直至試樣開裂,研究不同表面處理工藝對板材彎曲性能的影響。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 粗糙度測量結(jié)果分析
使用TR100Ａ型粗糙度測量儀對不同表面處理工藝下的試樣進(jìn)行粗糙度(Ra)檢測,結(jié)果如圖2所示。
經(jīng)表面處理后,板材表面粗糙度值均出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象,這是因?yàn)椴捎脵C(jī)械或者化學(xué)拋光的方法可以使板材表面平坦化,從而提高板面的光潔度。對各種表面粗糙度變化情況分析如下:
(1)原始表面。原始表面粗糙度測量平均值為0.81μm,這表明其表面平滑程度并不理想。觀察散點(diǎn)分布圖(見圖2)后可知,原始表面粗糙度實(shí)測值分散現(xiàn)象明顯,表面微觀形貌的一致性較差,這易導(dǎo)致板材彎曲時(shí)表面受力不均,對彎曲性能產(chǎn)生不利影響。
(2)120＃千葉輪拋光(手工)處理。采用120＃千葉輪拋光后,板材表面呈現(xiàn)出明顯的方向性,如圖1所示。經(jīng)測量,在垂直于拋光方向上,板材的粗糙度值較原始表面變化不明顯,但在平行于拋光方向上,粗糙度值減小了64.2％。雖然粗糙度值總體呈減小趨勢,但表面的各向異性并不利于板材彎曲性能的提升。觀察散點(diǎn)分布圖(見圖2)后可知,拋光后,無論在垂直拋光方向還是平行拋光方向上,板材的粗糙度值均較為分散,其主要原因是手工拋光在拋光面積、拋光力度等方面的一致性較差,板材表面存在高低起伏的微觀形貌。
(3)酸洗減薄處理。采用酸洗減薄處理后,板材表面質(zhì)量顯著提高,表面粗糙度值較原始表面的粗糙度值下降了66.7％。同時(shí),板材表面沒有出現(xiàn)明顯的方向性,粗糙度值分布更為集中,表面微觀形貌的一致性得到了明顯提升。
(4)120＃千葉輪拋光＋酸洗減薄處理。采用120＃千葉輪拋光＋酸洗減薄處理后,板材粗糙度值較原始表面的粗糙度值下降了84％,表面質(zhì)量提升效果明顯。由于采用了酸洗工序,拋光后板材表面的方向性痕跡得以消除。而與單一的表面處理工藝相比,先機(jī)械拋光再酸洗化學(xué)拋光的聯(lián)合工藝對板材表面微觀形貌一致性的提升效果更明顯,同時(shí),聯(lián)合工藝對提升板材彎曲性能有著重要意義。
2.2 表面微觀形貌分析
為進(jìn)一步直觀地了解不同表面處理工藝下板材試樣的表面形貌特征,使用SEM電鏡對試樣表面進(jìn)行了觀測分析,結(jié)果如圖3所示。
從圖3中可以看出,試樣在不同的表面處理工藝下呈現(xiàn)出各具特征的表面形貌:①原始表面微觀形貌高低起伏較大,呈現(xiàn)出不規(guī)則的凹坑;②120＃千葉輪拋光表面沿拋光方向呈現(xiàn)出規(guī)則的平行拋光紋路,雖然表面得到了有效平整,但呈現(xiàn)出明顯的方向性,且可以觀察到磨料顆粒切削表面后留下的劃痕;③與原始表面相比,酸洗表面出現(xiàn)了明顯的平坦化特征,原始表面的凹坑和劃痕等高低起伏較大處被明顯鈍化;④120＃千葉輪拋光＋酸洗表面最為平整,得到了較為完全的鈍化。從以上形貌特征中可以看出,板材原始表面大量不規(guī)則的凹坑以及機(jī)械拋光造成的較深劃痕都容易在板材彎曲受力時(shí)形成潛在裂紋源,造成板材過早發(fā)生開裂。而酸洗腐蝕對表面凹坑、劃痕的鈍化和消除起到了明顯的作用。采用120＃千葉輪拋光＋酸洗聯(lián)合工藝時(shí),機(jī)械拋光可以對表面微觀形貌進(jìn)行平整,再加上之后酸洗對表面微觀形貌一致性的進(jìn)一步提升,可以有效消除微觀潛在裂紋源,降低板材因表面質(zhì)量問題而過早發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn),有效提高板材的彎曲性能。
2.3 極限彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析
為了驗(yàn)證前述觀測分析結(jié)論,對不同表面狀態(tài)下的試樣進(jìn)行極限彎曲試驗(yàn)。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,設(shè)定彎芯直徑為15mm,彎曲角為30°。對于彎曲至30°時(shí)仍未開裂的試樣,繼續(xù)增大彎曲角直至開裂為止。彎曲后的試樣如圖4所示,彎曲結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5所示。
在彎曲改善效果方面,千葉輪拋光處理后板材表面光潔度雖有提高,但由于存在明顯的拋光痕跡,且彎曲方向平行于拋光方向,導(dǎo)致彎曲性能并沒有顯著提升,粗糙度值較為分散,穩(wěn)定性較差;酸洗處理后板材表面光潔度提高的同時(shí),彎曲性能也得到一定的提升,極限彎曲角穩(wěn)定在45°~4９°;采用拋光＋酸洗聯(lián)合工藝處理后的試樣,表面光潔度和彎曲性能均大幅提升,極限彎曲角較原始表面提高了54.2９％~60.61％。對彎曲試樣開裂斷口進(jìn)行ＳＥＭ電子顯微鏡觀察,斷口形貌如圖6所示。從圖6(ａ)中可以看出,裂紋起源于試樣表面(紅色箭頭指向),斷口較為平整。從圖6(ｂ1)和(ｂ2)中可以看出,近表層斷口韌窩淺而大、數(shù)量較少,表現(xiàn)為韌性及準(zhǔn)解理斷裂相混合[９],這與板材表層在彎曲變形過程中的受力情況有關(guān),板材在彎折處外表面承受最大拉應(yīng)力,彎折過程中表面塑性變形量最大,變形硬化效應(yīng)最為強(qiáng)烈。從圖6(ｃ1)和(ｃ2)中可以看出,與表層斷口韌窩相比,中心層斷口韌窩數(shù)量多、尺寸小,板材中心層斷裂類型為典型的韌性斷裂。在板材中心層處,由于拉、壓應(yīng)力的平衡和制約,板材塑性變形量較小,變形硬化效應(yīng)相對較弱,斷裂過程符合一般板材彎曲變形的力學(xué)和幾何特點(diǎn)。
以上彎曲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上文中對板材表面觀測及粗糙度檢測后所得出的結(jié)論:在板材化學(xué)成分、內(nèi)部組織、力學(xué)性能一致的前提下,其表面微觀形貌的一致性對板材彎曲性能有較大影響,其中酸洗工藝起到了重要作用,而先機(jī)械拋光再酸洗化學(xué)拋光的聯(lián)合工藝對板材表面微觀形貌的改善效果明顯。
3、結(jié)論
(1)造成TA15板材試樣彎曲開裂的微觀機(jī)制如下:板材表面存在未鈍化的微觀凹坑和較深劃痕,在表面拉應(yīng)力的作用下,這些凹坑和劃痕易形成裂紋源;隨著彎曲角逐漸增大,裂紋擴(kuò)展,直至板材失穩(wěn)斷裂。
(2)120＃千葉輪拋光(手工)對板面平整有明顯作用,宏觀上提高了板材表面光潔度,但磨料切削造成板材部分表面存在較深劃痕以及方向性磨削痕跡,亦能形成潛在裂紋源,故單純拋光處理不能穩(wěn)定提高板材彎曲性能。
(3)酸洗工藝對改善板材微觀表面形貌、鈍化表面凹坑和深劃痕效果顯著。120＃千葉輪拋光＋酸洗聯(lián)合工藝兼具機(jī)械拋光和化學(xué)拋光的優(yōu)點(diǎn),可以顯著、穩(wěn)定地提高板材彎曲性能。
4、參考文獻(xiàn)
[1]劉奇先,劉楊,高凱.鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[Ｊ].航天制造技術(shù),2011(4):45-48.
(ＬｉｕＱｉｘｉａｎ,ＬｉｕＹａｎｇ,ＧａｏＫａｉ.ＲｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｉTAｎｉｕｍAlｌｏｙｓ[Ｊ].ＡｅｒｏｓｐａｃｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,2011(4):45-48.)
[2]楊冠軍.鈦合金研究和加工技術(shù)的新進(jìn)展[Ｊ].鈦工業(yè)進(jìn)展,2001(3):1-5.
(ＹａｎｇＧｕａｎｊｕｎ.ＮｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｉTAｎｉｕｍAlｌｏｙｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ[Ｊ].ＴｉTAｎｉｕｍＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｏｇｒｅｓｓ,2001(3):1-5.)
[3]黃旭,朱知壽,王紅紅.先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用[Ｍ].北京:國防工業(yè)出版社,2012:26-2７.
(ＨｕａｎｇＸｕ,ＺｈｕＺｈｉｓｈｏｕ,ＷａｎｇＨｏｎｇｈｏｎｇ.ＡｄVａｎｃｅｄａｅｒｏｎａｕｔｉｃAlｔｉTAｎｉｕｍAlｌｏｙｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＮａｔｉｏｎA(yù)lＤｅｆｅｎｓｅＩｎｄｕｓｔｒｙＰｒｅｓｓ,2012:26-2７.)
[4]«中國航空材料手冊»編輯委員會.中國航空材料手冊:第10卷[Ｍ].2版.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.
(ＴｈｅｅｄｉｔｏｒｉAlｂｏａｒｄｏｆ“ＣｈｉｎａａｅｒｏｎａｕｔｉｃAlｍａｔｅｒｉAlｓｈａｎｄｂｏｏｋ”.ＣｈｉｎａａｅｒｏｎａｕｔｉｃAlｍａｔｅｒｉAlｓｈａｎｄｂｏｏｋ:Vｏｌｕｍｅ10[Ｍ].2ｎｄｅｄ.Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＳTAｎｄａｒｄｓＰｒｅｓｓｏｆＣｈｉｎａ,2002.)
[5]張小紅,林鑫,陳靜,等.熱處理對激光立體成形TA15合金組織及力學(xué)性能的影響[Ｊ].稀有金屬材料與工程,2011,40(1):142-14７.
(ＺｈａｎｇＸｉａｏｈｏｎｇ,ＬｉｎＸｉｎ,ＣｈｅｎＪｉｎｇ,ｅｔAl.ＥｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃAlｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴAl5ｔｉTAｎｉｕｍAlｌｏｙｓｂｙｌａｓｅｒｓｏｌｉｄｆｏｒｍｉｎｇ[Ｊ].RaｒｅＭｅｔAlＭａｔｅｒｉAlｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,2011,40(1):142-14７.)
[6]孫永娜,柳長旭,吳國清.ＴＢ5鈦合金薄板微觀組織與彎曲性能關(guān)系研究[Ｊ].航空制造技術(shù),201７,60(18):48-52.
(ＳｕｎＹｏｎｇｎａ,ＬｉｕＣｈａｎｇｘｕ,ＷｕＧｕｏｑｉｎｇ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｂｅｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＴＢ5ｓｈｅｅｔ[Ｊ].ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃAlＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,201７,60(18):48-52.)
[７]張晶宇,楊延清,陳彥,等.退火對TA15鈦合金組織與性能的影響[Ｊ].金屬熱處理,2003,28(3):46-48.
(ＺｈａｎｇＪｉｎｇｙｕ,ＹａｎｇＹａｎｑｉｎｇ,ＣｈｅｎＹａｎ,ｅｔAl.ＥｆｆｅｃｔｏｆａｎｎｅAlｉｎｇｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTA15ｔｉTAｎｉｕｍAlｌｏｙ[Ｊ].ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔｏｆＭｅｔAlｓ,2003,28(3):46-48.)
[8]厲文墨,蔣健博,劉芳芳,等.鈦鋼復(fù)合板TA2鈦復(fù)層表面潔凈處理工藝[Ｊ].材料與冶金學(xué)報(bào),2022,21(5):358-363.
(ＬｉＷｅｎMo,ＪｉａｎｇＪｉａｎｂｏ,ＬｉｕＦａｎｇｆａｎｇ,ｅｔAl.ＣｌｅａｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆTA2ｃｌａｄｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｉTAｎｉｕｍｓｔｅｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎA(yù)lｏｆＭａｔｅｒｉAlｓａｎｄＭｅｔAlｌｕｒｇｙ,2022,21(5):358-363.)
[９]賀飛,陳海峰,王玉會.顯微組織對TA15合金高溫拉伸性能的影響[Ｊ].材料工程,2012,40(2):13-15.(ＨｅＦｅｉ,ＣｈｅｎＨａｉｆｅｎｇ,ＷａｎｇＹｕｈｕｉ.ＥｆｆｅｃｔｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅRaｔｕｒｅｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆTA15ｔｉTAｎｉｕｍAlｌｏｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎA(yù)lｏｆＭａｔｅｒｉAlｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,2012,40(2):13-15.)