孫振起，陳蓉，吳安如

(1. 湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411104；2. 湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

膠接對Ti-6Al-4V合金織構(gòu)的影響

孫振起1,2，陳蓉1，吳安如1,2

(1. 湖南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，湘潭 411104；2. 湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

對2塊航空航天工業(yè)常用的鈦合金板Ti-6Al-4V的表面進行打磨、清洗及陽極化處理，然后在室溫條件下用環(huán)氧320/322膠進行膠接，放入烘干箱中，在120 ℃溫度下保溫固化1 h。采用BrukerD8 Discover型X射線衍射儀對 Ti-6Al-4V合金板及其膠接后的織構(gòu)進行分析，研究膠接對 Ti-6Al-4V合金織構(gòu)的影響。結(jié)果表明：Ti-6Al-4V合金膠接固化后，歐拉角位于0°～42°區(qū)間內(nèi)，{0001}〈110〉織構(gòu)變強，膠接對{100}〈110〉織構(gòu)影響不大。膠結(jié)后的鈦合金在β取向線上的織構(gòu)占比約為19.4%，α取向線上的織構(gòu)占比約為81.6%。

鈦合金；膠接；固化；應(yīng)力；織構(gòu)

膠接已成為焊接、鉚接與螺栓連接之后的另一種重要的連接方式[1]，在航空、航天、交通和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[2-4]。在航空航天業(yè)，膠接件服役期間的工況條件復(fù)雜多變，對膠接工藝要求非常嚴格，因此美國材料協(xié)會(ASTM)制定了航空用鋁合金膠接工藝的相關(guān)標(biāo)準[5-6]。由于膠接件中存在殘余應(yīng)力，很多學(xué)者進行了大量研究，試圖將其影響及危害降至最低[7-8]。研究的方法包括實驗研究[9]，有限元模擬研究[7]，以及二者結(jié)合[10-11]，這些研究都是基于各自的研究對象，缺少系統(tǒng)性和通用性。鈦合金在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并且是一種不可缺少的材料，其性能不僅受到微觀組織的影響，織構(gòu)也對其沖擊韌性、屈服強度、泊松比、彈性模量、應(yīng)力腐蝕、疲勞性能、蠕變行為和斷裂行為等性能具有重要的影響。例如，較強的{0002}纖維織構(gòu)可明顯提高鈦合金板的應(yīng)力腐蝕性能[12]。鈦合金膠接結(jié)構(gòu)是航空航天工業(yè)經(jīng)常使用的構(gòu)件[13-15]，但目前對鈦合金膠接應(yīng)力引起織構(gòu)變化的研究較少，研究大多集中于鈦合金軋制和鍛造等工藝對其織構(gòu)變化的影響，如 QI等[16]研究了對稱軋制與非對稱軋制2種成型方式對Ti-6Al-4V合金組織及織構(gòu)的影響；TANG等[17]研究了鍛造對鈦合金織構(gòu)的影響，結(jié)果表明，隨著鍛造的進行，織構(gòu)減少。本文作者用環(huán)氧320/322膠將2塊航空航天工業(yè)中最常用的鈦合金板Ti-6Al-4V進行膠結(jié)，采用X射線衍射儀對 Ti-6Al-4V合金及其膠接后的織構(gòu)進行分析，研究膠接對Ti-6Al-4V合金織構(gòu)的影響，為鈦合金膠接設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

1 實驗

1.1 膠結(jié)面的預(yù)處理

所用鈦合金材料是目前航空航天工業(yè)中最常用的Ti-6Al-4V合金，由天津格瑞新金屬材料有限責(zé)任公司/天津恒鈦進出口公司提供，合金板的尺寸為 25 mm×25 mm×2.0 mm。

參照 ASTM2651 金屬膠接表面陽極化處理指導(dǎo)標(biāo)準中的鈦合金表面處理工藝，對2塊鈦合金板的膠結(jié)面(尺寸為25 mm×25 mm)進行處理。先用180#砂紙打磨1～2 min，再用320#砂紙打磨1～2 min，然后用水和無水酒精清洗。將打磨、清洗后的試樣在濃度為7.5 mol/L的NaOH溶液中進行陽極化處理。陽極化處理在陽極化槽中進行，用鈦合金試樣作陽極，與試樣等面積的純鎳板作陰極，分別接直流電的正、負極；電源電壓為15 V，處理時間為 15 min。陽極化過程結(jié)束后，馬上用自來水沖洗試樣 5 min，然后用蒸餾水清洗。最后放在70 ℃的干燥箱中干燥100 min，以去除合金表面的水分。

1.2 膠結(jié)

陽極化處理后的試樣立即進行膠接。將相同質(zhì)量的環(huán)氧320和322膠混合均勻后，均勻地涂在鈦合金表面，再將兩片鈦合金膠接在一起，固定在專用夾具中施加0.275 MPa的壓力，將溢出的膠清理干凈。把試樣連同夾具放入數(shù)控干燥箱中，以12 ℃/min 的升溫速率加熱至120 ℃，保溫60 min，然后隨爐冷卻到室溫。

1.3 織構(gòu)測試

用320#砂紙將原始鈦合金板以及膠結(jié)試樣的織構(gòu)分析表面打磨平整，然后進行織構(gòu)測試。織構(gòu)測試在BrukerD8Discover型X 射線衍射儀上進行，其工作原理如圖1所示。合金板的軋制方向與衍射儀軸重合，軋面位于入射線和反射線的橫中分線上，即試樣放于軋制方向(RD)、法向(ND)和橫向(TD)的球心上。轉(zhuǎn)動試樣(X射線發(fā)生器)，求得所有晶面的法線在某球面的投影點，這些點再向極射赤面投影，得到晶面的極圖。衍射儀工作電壓40 kV，電流40 mA，采用Cu鈀，準直管直徑1 mm。

圖1 Ti合金板的織構(gòu)測試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram for the measuring principle of texture

2 結(jié)果與分析

圖2所示為Ti-6Al-4V合金在膠接前的形貌。從圖 2(a)看出合金的右側(cè)部分經(jīng)過陽極化表面處理后表面為褐色，而沒有經(jīng)陽極化處理的左側(cè)為白色。由圖2(b)可看出，陽極化處理后，合金表面由軋制形成的軋制線及微小的凹坑等缺陷消失，合金表面變得凸凹不平，并形成一層保護金屬表面或使其適于膠接的氧化薄膜，對提高膠接強度起著積極的作用[18]。從圖2(c)可見原始鈦合金板表面較平整，軋制線清晰可見。

圖2 鈦合金膠接前的表面形貌Fig.2 Surface photographs of Ti alloy

圖3 鈦合金膠接前與膠結(jié)后3個晶面的極圖Fig.3 Three planes pole figures of Ti alloy

鈦合金為典型α＋β型合金，歐拉空間被限制在{π/2，π/2，π/3}區(qū)域內(nèi)，織構(gòu)主要集中于 30°～45°之間[19]。β相是BCC結(jié)構(gòu)，存在α取向線和β取向線，本文利用軟件計算BCC結(jié)構(gòu)中的織構(gòu)情況。圖4所示為膠結(jié)前與膠結(jié)后歐拉角度分別為0°，30°，35°，40°和 45°的三維取向分布圖(ODF圖)。通過實際測量的極密度分布函數(shù)數(shù)據(jù)，歸一處理后獲得計算所需的極密度分布函數(shù)數(shù)據(jù)，將極密度函數(shù)轉(zhuǎn)換成球函數(shù)，再將取向分布函數(shù)也轉(zhuǎn)化為球函數(shù)，根據(jù)極密度函數(shù)與取向分布函數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，得到取向分布函數(shù)。鈦合金在膠接后由于膠接應(yīng)力引發(fā)合金晶粒的晶面轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致織構(gòu)密度水平變化。膠結(jié)后合金中存在的主要織構(gòu)為{0001}〈110〉，{100}〈110〉，{001}〈10〉和{011} 〈32〉。

圖4 鈦合金膠接前與膠結(jié)后的三維取向分布圖Fig.4 Three-dimesional orientation distribution figures (ODF) of Ti alloy before and after bonding

圖5與圖6所示分別為膠接鈦合金與未膠接合金在α與 β取向線上不同歐拉角上的織構(gòu)密度。由于膠接固化時環(huán)氧320/322膠與鈦合金的收縮率不同，在膠接試樣的長度與寬度方向產(chǎn)生一定的壓縮彈性變形，引起合金內(nèi)部應(yīng)力變化，使合金內(nèi)的織構(gòu)發(fā)生變化。由圖可以看出，膠結(jié)后，對于α取向線，在0°～42°區(qū)間內(nèi){0001}〈110〉織構(gòu)密度由于膠接作用而變大，而在43°～90°區(qū)間內(nèi)織構(gòu)密度變化不大；在β取向線上，膠接后在0°～90°區(qū)間內(nèi)織構(gòu)密度變化不大。

圖5 膠結(jié)前與膠結(jié)后鈦合金沿α取向線不同歐拉角上的織構(gòu)強度Fig.5 Orientation density along α-fiber

圖6 沿β取向線不同歐拉角上的織構(gòu)強度Fig.6 Orientation density along β-fiber

商順利等[20]利用平均衍射強度 Iav計算出軋制鈦合金β取向線上的織構(gòu)占比為18.11%。本文利用中南大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院唐建國教授編寫的織構(gòu)計算軟件，計算出膠結(jié)后鈦合金在β取向線上的織構(gòu)占比約為19.4%，α取向線上的織構(gòu)占比約為81.6%。與商順利的計算結(jié)果相比，β取向線上的織構(gòu)占比略有增加，增加量為1.3%。

3 結(jié)論

1) 用環(huán)氧320/322膠對Ti-6Al-4V鈦合金板進行膠結(jié)。膠結(jié)前與膠結(jié)后合金中α取向線上的織構(gòu)都主要有{0001}〈110〉與 {100}〈10〉，膠結(jié)后，其分布密度有所變化，{0001}〈110〉型織構(gòu)增強，而{100}〈110〉織構(gòu)變化不顯著。

4) α取向線上的織構(gòu)與β取向線上的織構(gòu)之比約為4:1。

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(編輯 湯金芝)

Effect of bonding on Ti-6Al-4V alloy texture

SUN Zhenqi1,2, CHEN Rong1, WU Anru1,2
(1. School of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China; 2. Cooperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion, Xiangtan 411104, China)

Surface of titanium alloy Ti-6Al-4V which was often used in the aerospace industry was polished, cleaned and anodized, and two pieces of Ti plates were bonded with epoxy 320/322 adhesion and placed in a self-made fixture at room temperature. Then the whole fixture was put in heated drying box for an hour at 120 ℃ to solidify. Texture of bonded Ti-6Al-4V alloy was characterized by Bruker D8 X-ray diffractometer to study the effect of bonding on the texture of Ti-6Al-4V alloy. The results show that texture of {0001}〈11〉 becomes stronger between 0° and 42°; and {0 11〉 has little change at bonding zone after curing. The fractions of alloy texture along β-fiber α-fiber are 19.4% and 81.6%, respectively.

titanium alloy; bonding; curing; stress; texture 10}〈00

TG494.7

A

1673-0224(2017)01-128-06

國家自然科學(xué)基金資助項目(11472103)；博士資金資助項目(XJBSJJ.【2015-006】)

2015-03-28；

2016-06-29

孫振起，講師，博士。電話：0731-58688521；E-mail: szqi982010@sina.cn