鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素分析

侯 睿

（西安賽特金屬材料開發(fā)有限公司，陜西 西安 710299）

鈦合金型材的組成為Ti-6Al-4V，屬于(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學(xué)機(jī)械性能；比強(qiáng)度大；強(qiáng)度sb=1.012MPa；密度g=4.4＊103；比強(qiáng)度sb/g=23.5；而合金鋼的比強(qiáng)度sb/g小于20?？紤]到鈦合金型材自身具備耐久性、硬度以及疲勞性的特點，在生產(chǎn)過程中對鈦合金型材進(jìn)行加工，能夠有效的改變鈦合金型材的機(jī)械性能[1]。我國對鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素分析的研究起步較早，早在很多年前就有對鈦合金型材進(jìn)行熱加工的經(jīng)驗，通過改變鈦合金型材中原子排列的方式，可達(dá)到提高鈦合金型材硬度以及增加鈦合金型材使用壽命等目的，取得了一定的研究成果，并于1960年獲得兩項專利，能夠在提高鈦合金型材質(zhì)量的同時，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。為此，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素分析。

1 鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素分析

本文研究依據(jù)嚴(yán)格遵守《鈦合金型材應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中Ⅱ類GB/T 50448—2008的技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上，對鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素分為三類進(jìn)行重點分析。

1.1 沖壓時低周疲勞載荷對高周疲勞特性的影響

在鈦合金型材生產(chǎn)過程中往往會在沖壓時出現(xiàn)低周疲勞載荷，在進(jìn)行低周疲勞載荷對高周疲勞特性的影響分析中，本文結(jié)合美國AFRL材料指導(dǎo)委員會針對低周疲勞載荷于高周疲勞特性之間的關(guān)系進(jìn)行的一系列實驗。實驗結(jié)果表明：初始裂紋在低周疲勞載荷下形成,隨后的高周疲勞試驗的載荷較低，預(yù)加載的低周疲勞載荷相當(dāng)于過載。考慮到鈦合金型材生產(chǎn)過程中存在的冶金缺陷，提高高周疲勞極限應(yīng)力是提高鈦合金型材高周疲勞特性的關(guān)鍵因素。因此，低周疲勞載荷預(yù)加載能導(dǎo)致過載或欠載兩種情況出現(xiàn)，必須在具備預(yù)加載狀態(tài)的同時，最大限度上保障鈦合金型材加工的精度。在鈦合金型材生產(chǎn)過程中，由于鈦合金型材的屈服點強(qiáng)度與最大強(qiáng)度之間差距很小，一般情況下小于10%，且硬度較大，必須通過確定低周疲勞載荷計算高周疲勞極限應(yīng)力，從而避免過載或欠載兩種情況出現(xiàn)。設(shè)鈦合金型材高周疲勞極限應(yīng)力為p，則其計算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中：T表示為鈦合金型材生產(chǎn)過程中軸承運(yùn)轉(zhuǎn)可承受的最大軸力矩；λ表示為鈦合金型材生產(chǎn)過程中多種外界影響因素；t表示為鈦合金型材低周疲勞載荷；r1表示為發(fā)生的瞬時應(yīng)力；r2表示為高頻率應(yīng)力。在得出鈦合金型材高周疲勞極限應(yīng)力之后，可知低周疲勞載荷越大鈦合金型材高周疲勞極限應(yīng)力的數(shù)值也就越大，兩者之間呈正比例增長關(guān)系。這就意味著，低周疲勞載荷對高周疲勞特性具有積極的影響，提高低周疲勞載荷能夠增強(qiáng)鈦合金型材生產(chǎn)過程中的高周疲勞特性。

1.2 切削時鈦合金型材表面損傷對高周疲勞特性的影響

針對鈦合金型材表面損傷影響鈦合金型材高周疲勞特性的過程進(jìn)行模擬，本文采用發(fā)動機(jī)吸入碎片法模擬表面損傷對高周疲勞特性的影響，致力于真實的模擬表面損傷的實際情況。通過模擬可得表面損傷的主要特征是能夠形成沖擊坑剪切帶，而沖擊坑剪切帶能夠增強(qiáng)鈦合金型材疲勞裂紋的擴(kuò)展能力，進(jìn)而增強(qiáng)鈦合金型材高周疲勞特性?？梢詫_擊坑剪切帶看作一個會向兩端延伸的點，設(shè)沖擊坑剪切帶的延伸能力為fc，則其換算公式，如公式（2）所示[2]。

在公式（2）中，f0表示為變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。也就是說，在鈦合金型材生產(chǎn)過程中出現(xiàn)表面損傷時，通過表面損傷造成的鈦合金型材變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力越高，則沖擊坑剪切帶的延伸能力越強(qiáng)，該鈦合金型材的高周疲勞特性越好。

除此之外，在非零入射角情況下，表面損傷對高周疲勞特性的影響分析結(jié)果表明，由于外物沖擊會在鈦合金型材表面建立了一個較大的壓縮應(yīng)力區(qū)，而在鈦合金型材損傷區(qū)的附近表面會產(chǎn)生一個小的拉應(yīng)力區(qū)。拉應(yīng)力區(qū)能夠有效抵消表面損傷變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，因此，非零入射角沖擊后的沖擊坑剪切帶的延伸能力會大幅度的降低。與此同時，非零入射角情況下，考慮到鈦合金型材表面沖擊點難于控制，會導(dǎo)致拉應(yīng)力區(qū)大小和拉應(yīng)力大小出現(xiàn)顯著的變化，進(jìn)而影響鈦合金型材高周疲勞特性的集中度，致使鈦合金型材高周疲勞特性減弱。

這就說明，在鈦合金型材生產(chǎn)過程中一定要盡可能的避免非零入射角情況下的表面損傷，避免其對高周疲勞特性的消極影響。一旦出現(xiàn)此情況，南京航空學(xué)院的孫振德和魯啟新通過實驗證明熱處理工藝中的退火工藝能夠有效解決此問題。在實際工作中，每一件鈦合金型材自身的尺寸以及裂紋，都可以看作是斷裂力學(xué)的出發(fā)點。鈦合金型材和退火工藝存在的斷裂韌性關(guān)系只要指的就是通過對鈦合金型材退火，達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力以及降低硬度的目的，致力于得到近乎平衡的鈦合金型材內(nèi)部組織。

1.3 熱曝露溫度和時間對鈦合金高溫抗氧化性的影響

考慮到鈦合金型材生產(chǎn)過程中會長時間處于高溫狀態(tài)下，因此分析熱曝露溫度和時間對鈦合金高溫抗氧化性的影響是必不可少的。

結(jié)合張衛(wèi)方等將高溫下鈦合金表面的氧化層分為四個區(qū)域，分別為：氧高度污染區(qū)、氧化膜區(qū)、氧高梯度擴(kuò)散區(qū)以及氧緩慢擴(kuò)散區(qū)。熱曝露溫度與鈦合金高溫抗氧化性之間的斷裂韌性關(guān)系主要依據(jù)鈦合金型材自身的臨界點，當(dāng)溫度達(dá)到臨界點再退去之后，鈦合金型材中位錯會明顯減少，導(dǎo)致位錯密度下降，從而提高鈦合金型材的強(qiáng)度。這樣一來，能夠有效提高鈦合金型材的高溫抗氧化性。由于使用不同工藝進(jìn)行鈦合金型材生產(chǎn)，在生產(chǎn)加熱過程中鈦合金型材內(nèi)部組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，很容易影響鈦合金型材的高溫抗氧化性。因此，需要延長保溫時間，直至碳化物逐漸溶入基體中，鈦合金型材的強(qiáng)度以及伸長率都處于上升狀態(tài)，且均勻彌散在晶粒內(nèi)部。將鈦合金型材熱曝露溫度控制在熔點下再結(jié)晶獲得鈦合金型材內(nèi)部組織的細(xì)化，此時，由于碳化物的固溶，迫使鈦合金型材的高溫抗氧化性達(dá)到最大，進(jìn)而提高鈦合金型材的高溫抗氧化性。

鈦合金型材生產(chǎn)過程中，由于鈦合金型材的心部和表層冷卻速度的不同，因此，熱曝露時間對鈦合金的高溫抗氧化性也存在一定影響。

當(dāng)鈦合金型材的心部在冷卻時，其熱曝露時間必須高于表層熱曝露時間；當(dāng)鈦合金型材的表層在冷卻時，表層熱曝露時間必須長于心部。冷卻速度是鈦合金型材熱曝露時間一個決定性的影響因素，在冷卻后期延長鈦合金型材進(jìn)行緩冷，其目的在于能夠達(dá)到抑制鈦合金型材淬裂或是減少鈦合金型材應(yīng)力值，在提高鈦合金型材截面中心部位截面溫差的同時，盡可能的減少鈦合金型材冷卻收縮的速度。通過激活原子，使其能夠按照鈦合金型材冷卻收縮的速度進(jìn)行遷移，提高鈦合金型材的高溫抗氧化性。

2 結(jié)語

本文通過分析鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素，提出三種具體影響。希望能夠通過本文得出的理論依據(jù)，為建筑行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提升提供技術(shù)指導(dǎo)。截止目前，國內(nèi)外針對鈦合金型材生產(chǎn)過程中性能影響因素的研究仍存在一些問題，缺少專業(yè)性極強(qiáng)的配套試驗研究裝置，因此，在后期的建筑行業(yè)市場調(diào)研過程中，可通過進(jìn)行鈦合金型材生產(chǎn)工藝的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)一步提高鈦合金型材的綜合性能。