鈦合金型材生產過程中性能影響因素分析

侯 睿

（西安賽特金屬材料開發有限公司，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機械性能；比強度大；強度sb=1.012MPa；密度g=4.4＊103；比強度sb/g=23.5；而合金鋼的比強度sb/g小于20。考慮到鈦合金型材自身具備耐久性、硬度以及疲勞性的特點，在生產過程中對鈦合金型材進行加工，能夠有效的改變鈦合金型材的機械性能[1]。我國對鈦合金型材生產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行熱加工的經驗，通過改變鈦合金型材中原子排列的方式，可達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量的同時，取得一定的經濟效益。為此，本文在此基礎上進行鈦合金型材生產過程中性能影響因素分析。

1 鈦合金型材生產過程中性能影響因素分析

本文研究依據嚴格遵守《鈦合金型材應用技術規范》中Ⅱ類GB/T 50448—2008的技術要求，在此基礎上，對鈦合金型材生產過程中性能影響因素分為三類進行重點分析。

1.1 沖壓時低周疲勞載荷對高周疲勞特性的影響

在鈦合金型材生產過程中往往會在沖壓時出現低周疲勞載荷，在進行低周疲勞載荷對高周疲勞特性的影響分析中，本文結合美國AFRL材料指導委員會針對低周疲勞載荷于高周疲勞特性之間的關系進行的一系列實驗。實驗結果表明：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，預加載的低周疲勞載荷相當于過載。考慮到鈦合金型材生產過程中存在的冶金缺陷，提高高周疲勞極限應力是提高鈦合金型材高周疲勞特性的關鍵因素。因此，低周疲勞載荷預加載能導致過載或欠載兩種情況出現，必須在具備預加載狀態的同時，最大限度上保障鈦合金型材加工的精度。在鈦合金型材生產過程中，由于鈦合金型材的屈服點強度與最大強度之間差距很小，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力，從而避免過載或欠載兩種情況出現。設鈦合金型材高周疲勞極限應力為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過程中軸承運轉可承受的最大軸力矩；λ表示為鈦合金型材生產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表示為發生的瞬時應力；r2表示為高頻率應力。在得出鈦合金型材高周疲勞極限應力之后，可知低周疲勞載荷越大鈦合金型材高周疲勞極限應力的數值也就越大，兩者之間呈正比例增長關系。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鈦合金型材生產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行模擬，本文采用發動機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鈦合金型材疲勞裂紋的擴展能力，進而增強鈦合金型材高周疲勞特性。可以將沖擊坑剪切帶看作一個會向兩端延伸的點，設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表示為變形產生的殘余應力。也就是說，在鈦合金型材生產過程中出現表面損傷時，通過表面損傷造成的鈦合金型材變形產生的殘余應力越高，則沖擊坑剪切帶的延伸能力越強，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力區，而在鈦合金型材損傷區的附近表面會產生一個小的拉應力區。拉應力區能夠有效抵消表面損傷變形產生的殘余應力，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，會導致拉應力區大小和拉應力大小出現顯著的變化，進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。一旦出現此情況，南京航空學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的出發點。鈦合金型材和退火工藝存在的斷裂韌性關系只要指的就是通過對鈦合金型材退火，達到消除內應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過程中會長時間處于高溫狀態下，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。

結合張衛方等將高溫下鈦合金表面的氧化層分為四個區域，分別為：氧高度污染區、氧化膜區、氧高梯度擴散區以及氧緩慢擴散區。熱曝露溫度與鈦合金高溫抗氧化性之間的斷裂韌性關系主要依據鈦合金型材自身的臨界點，當溫度達到臨界點再退去之后，鈦合金型材中位錯會明顯減少，導致位錯密度下降，從而提高鈦合金型材的強度。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行鈦合金型材生產，在生產加熱過程中鈦合金型材內部組織發生回復再結晶轉變，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，鈦合金型材的強度以及伸長率都處于上升狀態，且均勻彌散在晶粒內部。將鈦合金型材熱曝露溫度控制在熔點下再結晶獲得鈦合金型材內部組織的細化，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到最大，進而提高鈦合金型材的高溫抗氧化性。

鈦合金型材生產過程中，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行緩冷，其目的在于能夠達到抑制鈦合金型材淬裂或是減少鈦合金型材應力值，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行遷移，提高鈦合金型材的高溫抗氧化性。

2 結語

本文通過分析鈦合金型材生產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，為建筑行業經濟效益的提升提供技術指導。截止目前，國內外針對鈦合金型材生產過程中性能影響因素的研究仍存在一些問題，缺少專業性極強的配套試驗研究裝置，因此，在后期的建筑行業市場調研過程中，可通過進行鈦合金型材生產工藝的優化設計，進一步提高鈦合金型材的綜合性能。