電鍍硬鉻工藝對TC6鈦合金性能的影響研究

湯智慧， 王長亮， 貢興嘉， 宇 波， 劉 江， 謝道秀， 馮 琪

(1.北京航空材料研究院，北京100095;2.國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖241007)

TC6鈦合金是一種典型的α+β兩相鈦合金，使用狀態一般為普通退火、等溫退火或雙重退火狀態。TC6具有較高的室溫強度、優良的熱加工性能和綜合力學性能，可在400～450℃下長時間工作。其主要用于制造飛機隔框、接頭、緊固件和發動機壓氣機盤、葉片等零件［1～3］。

鈦合金的耐磨性較差，TC6鈦合金用于飛機接頭等部位時必須進行表面防護，以提高耐磨性。硬鉻鍍層具有顯微硬度高(HV＞700)、耐磨性好、鍍層穩定等優點，且電鍍硬鉻是一種工藝成熟的傳統表面處理技術，已被廣泛應用于飛機高強度鋼零件的防護，因此電鍍硬鉻也逐漸開始應用于鈦合金零件［4］。目前鈦合金鍍鉻工藝較為成熟，但鉻層對鈦合金的性能影響研究較少。對高強度鋼電鍍硬鉻的研究表明，電鍍硬鉻的過程中，電鍍液中的氫元素有可能滲入基體及鍍層，從而影響到基體的疲勞性能［5］。本工作研究了電鍍硬鉻工藝對TC6鈦合金性能的影響。

1 材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為TC6鈦合金，化學成分見表1。

表1 TC6鈦合金化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of TC6(mass fraction/%)

1.2 實驗方法

采用等溫退火處理的TC6鈦合金試樣，按如下工藝流程進行電鍍硬鉻:前處理→電鍍乳白鉻→真空擴散→電鍍硬鉻。電鍍硬鉻工藝參數:溫度50～60℃，電流密度45～55 A/dm2。

氫含量采用RH-404脈沖加熱熱導氫測定儀測試。分別測試空白試樣、前處理、電鍍乳白鉻、真空擴散、電鍍硬鉻后的氫含量，試樣尺寸為8mm× 5mm×2mm。

氫脆實驗參照ASTM F519方法［6］，將TC6鈦合金加工成兩端帶螺紋，缺口尺寸為φ4.5mm的氫脆試樣(1a.1型)，電鍍硬鉻后進行200h，75%缺口試樣強度載荷持久拉伸考核。

按照HB5214—1996進行空白及鍍鉻后TC6鈦合金試樣的抗拉性能測試，試樣尺寸為 φ5mm× 71mm(M12)。

疲勞性能按照HB5152—1996進行，試樣尺寸為φ6.25mm×52mm;采用X-3000殘余應力測試儀進行TC6鈦合金電鍍硬鉻前后表面殘余應力的測試。

2 結果及討論

2.1 氫含量和氫脆結果

TC6鈦合金空白試樣、前處理、電鍍乳白鉻、真空擴散、電鍍硬鉻后的氫含量測試結果見表2。

氫含量測試結果表明:前處理、鍍乳白鉻、鍍硬鉻工序都會給基體帶入大量氫;真空擴散工序除了起到提高鍍層結合力的作用外，對氫的去除效果也非常明顯，前處理、鍍乳白鉻工序中滲入的氫都被真空擴散工序清除，因此整個工藝中決定最終TC6鈦合金氫含量的是電鍍硬鉻工序;電鍍硬鉻后TC6鈦合金氫含量為0.0130%，滿足氫含量≤0.015%的要求［7］。

表2 氫含量測試結果Table 2 Hydrogen content in TC6 titanium alloy

電鍍硬鉻后氫含量測試結果表明TC6鈦合金中有大量氫存在，處于合格范圍但接近TC6鈦合金對氫含量要求的上限，可能存在一定氫脆風險。由于目前無對鈦合金的氫脆鑒定的標準方法，因此，借鑒ASTM F519中高強度鋼的氫脆實驗方法進行氫脆實驗。實驗結果及斷口形貌見圖1。結果表明電鍍硬鉻后的TC6鈦合金氫脆試樣持久拉伸不到24h試樣發生斷裂，斷口為典型的氫脆解理斷裂［8］，TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝不能通過該氫脆考核。

圖1 TC6鈦合金氫脆實驗結果及斷口形貌Fig.1 The cross section morphology of TC6 titanium alloy specimens after hydrogen brittleness

氫脆發生有3個條件，即材料對氫脆敏感、氫元素存在和應力作用，三者同時具備時才可能發生氫脆。此外，由于氫易在應力集中部位富集，帶缺口、應力集中系數(Kt)高的零件更易發生氫脆。ASTM F519中高強度鋼的氫脆檢測方法就是綜合了上述幾種因素:選用對氫脆非常敏感的材料(熱處理至51～54HRC的4340鋼);試樣帶有缺口，應力集中系數為Kt=3.1;試樣進行電鍍或表面處理;施加75%σbH的載荷，持久拉伸200h。該方法是根據氫脆發生的條件，對表面處理工藝進行的加嚴考核(高敏感材料、高應力集中、高載荷)。本工作借鑒該思路，但試樣材料由4340鋼改為TC6鈦合金。實驗表明，在該加嚴考核條件下，電鍍硬鉻后的TC6鈦合金氫脆試樣會發生氫脆斷裂，存在氫脆危險。

鈦合金中的氫主要以TiH形式存在，它的去除需要真空高溫處理(650℃)，而鉻層在高于400℃時會出現鍍層硬度下降等問題［9］，電鍍硬鉻后不能通過真空除氫的方法去除氫或降低氫含量。氫脆發生需同時具備3個條件，由于不能通過真空高溫除氫來降低TC6鈦合金電鍍硬鉻氫含量，但可通過控制TC6鈦合金電鍍硬鉻的使用范圍，例如避免在高應力集中及高載荷部位使用，來避免氫脆發生。因此應謹慎選用TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝，尤其是不用在高應力集中和高承載部位，以避免氫脆發生，保障鈦合金鍍鉻零件的安全。

2.2 力學性能

TC6鈦合金電鍍硬鉻前后力學性能結果見表3。

表3 TC6鈦合金電鍍硬鉻前后力學性能測試結果Table 3 The mechanical property of TC6 titanium alloy and the alloy with chromium coating

從表3可以看出:TC6鈦合金電鍍硬鉻后抗拉強度基本不變，但伸長率和斷面收縮率有所降低，分別降低了17.3%和24.0%，不過仍滿足δ≥10%和ψ≥23%的要求［7］。電鍍硬鉻工藝對TC6鈦合金力學性能的影響主要是氫造成的，由于電鍍硬鉻氫的滲入，使得TC6鈦合金伸長率下降，尤其是斷面收縮率有較大幅度的下降，但對抗拉強度影響不大，這與何曉［10］、張彩碚［11］等人的研究結果相近。TC6鈦合金為α+β型鈦合金，氫在β相中的溶解度和擴散系數都較高，拉伸過程中氫的活動性更強，因此α+β型兩相組織比單相α組織對氫脆更敏感;此外氫在鈦合金中以氫化物存在，由于晶界析出的氫化物較多，位錯塞積后的局部應力集中將比較容易導致氫化物與基體分離而萌生裂紋，使塑性變形不能很好地進行，導致材料變脆。

2.3 疲勞性能

TC6鈦合金電鍍硬鉻前后疲勞性能結果見圖2。圖2表明，電鍍硬鉻使TC6鈦合金疲勞性能大幅下降，疲勞極限由鍍前的626.0MPa降低至鍍后的201.3MPa，降幅高達68%。電鍍硬鉻鍍層大幅度降低TC6鈦合金疲勞性能的原因是硬鉻鍍層對基體表面施加了很大的拉應力。采用X-3000殘余應力測試儀對TC6鈦合金電鍍硬鉻前后表面殘余應力進行測試。測試結果表明:鍍前殘余應力-163.4MPa，為壓應力;鍍后殘余應力406.6MPa，為拉應力。測試結果很好地證實了上述分析。由于鍍層拉應力的作用，使得疲勞源也由單源變成多源，見圖3。

圖2 TC6鈦合金電鍍硬鉻前后疲勞性能測試結果Fig.2 Fatigue curve of TC6 titanium alloy with chromium coating

圖3 TC6鈦合金電鍍硬鉻前后疲勞斷口形貌 (a)鍍前試樣的斷口形貌; (b)鍍硬鉻試樣的斷口形貌Fig.3 The cross section morphology of TC6 titanium alloy specimens after fatigue failure (a)blank specimen;(b)the specimen with chromium coating

3 結論

(1)TC6鈦合金電鍍硬鉻后基體氫含量顯著提高，氫含量合格但接近上限，通不過氫脆考核，存在一定氫脆風險;建議不將TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝應用在高應力集中及高承載部位，以避免氫脆發生。

(2)TC6鈦合金電鍍硬鉻后抗拉強度基本不變;由于電鍍中滲氫的影響，TC6鈦合金電鍍硬鉻后伸長率和斷面收縮率有所降低，分別降低17.3%和24.0%。

(3)TC6鈦合金電鍍硬鉻后由于鍍層造成的殘余拉應力，使得疲勞極限顯著降低，由626.0MPa降低至201.3MPa。

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