30 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊接頭的高周疲勞與裂紋擴展速率

賈金龍，龍健，張林杰

（1.蘭州工業學院，蘭州 730050；2.西安交通大學，金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

0 前言

鈦及其合金因其具有密度小、比強度高、剛度大、耐蝕性好、高溫性能好、可加工性能好等一系列優點，是鋼、鋁之后的第3 種結構材料，在航空航天、航海、石油化工、國防裝備等領域得到了廣泛的應用[1?3]。TC4 鈦合金是由hcp-α 和bcc-β 兩相構成的鈦合金，也叫做Ti-6Al-4V，其中Al 是提高α 相穩定性的元素，V 是提高β 相穩定性的元素。TC4 在航空工業中主要用于制造發動機風扇、飛機重要承力構件等，在航海中主要用于制造深海載人下潛器的耐壓殼體[4?7]。

焊接技術由于其在構件輕量化、密封性好、接頭質量高等方面的優勢而在鈦合金加工方面應用很廣泛，但是鈦合金由于熔點高、導熱性差、比熱容大，使其在焊接時高溫區寬，焊縫及熱影響區極易過熱而導致晶粒粗化和長大，且鈦在高溫下活性強，易吸收氫、氧、氮等元素而產生氣孔、接頭脆化等缺陷，甚至導致冷裂紋的產生。因此鈦合金焊接需要一種線能量集中、保護效果好的焊接方法，真空電子束焊由于其能量高，且在真空中焊接，因此，焊縫深寬比大、熱影響區窄，焊接質量好，可以解決鈦合金焊接中的問題，尤其適合于大厚板鈦合金焊接[8?10]。

有研究表明，在實際工程結構件中，有80%～90%的失效都是疲勞破壞，而航空結構件在服役過程中由于各種氣動、機械原因誘發的振動應力，使其承受疲勞載荷[11?14]。疲勞失效已經成為影響現代航空裝備安全性、耐久性的主要問題，還可導致維修費用大幅增加，是航空裝備結構完整性設計中需要重點解決的問題之一。

文中對比了30 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊接頭和母材的高周疲勞性能，并觀察了接頭的疲勞斷裂位置，分析了母材和接頭的疲勞斷口。同時，分區域研究了接頭母材、熱影響區和焊縫區的疲勞裂紋擴展速率。試驗結果將為中厚板TC4 鈦合金真空電子束焊接技術的應用提供數據支撐。

1 試驗及方法

1.1 試驗材料及電子束焊接工藝參數

文中使用的材料是TC4 鈦合金，材料的化學成分信息見表1。表2 是文中電子束焊接頭所使用的焊接工藝參數。

表1 TC4 合金的化學成分（質量分數，%）

表2 電子束焊接工藝參數

圖1 是電子束焊接頭的焊縫橫截面形貌，試板厚度為30 mm，為防止焊穿，下面加了16 mm 厚的墊板。靠近試板上表面的焊縫區較寬，最寬達到了8 mm，試板中間焊縫區寬度較為穩定，約為4 mm。與焊縫區較為相似，接頭靠近上表面的熱影響區寬度較大，最高達到了5 mm，試板中間位置的熱影響區寬度約為3 mm。

圖1 電子束焊接頭的焊縫橫截面

1.2 接頭顯微組織

接頭的顯微組織觀察依次在3 個區域展開，分別為母材區（BM）、熱影響區（HAZ）和焊縫區（WM）。試驗設備為場發射掃描電鏡FEI Verios460，腐蝕劑采用Kroll 試劑，試劑配方為3%（體積分數）HF 加6%（體積分數）HNO3的水溶液，試樣腐蝕時間為13～15 s。

1.3 顯微硬度

在板厚15 mm 處對接頭各個區域進行橫向顯微硬度測試，從左到右，每隔0.5 mm 測試一個點，依次穿過母材、熱影響區、焊縫區、熱影響區、直至右側母材，試驗設備選擇HXD-1000TMC/LCD 顯微硬度計。試驗力為1.961 N（200 g），載荷保持時間為15 s。

1.4 高周疲勞性能

高周疲勞試驗參照《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》（GB/T 3075—2008）進行。試驗設備為INSTRON-1341 電液伺服材料試驗機。應力值在300～700 MPa 范圍內，加載方式為軸向加載，最小應力與最大應力比為0.1，載荷頻率為20 Hz，載荷波形為正弦波。

疲勞試樣尺寸為棒狀，試樣長度120 mm，夾持直徑12 mm，試樣直徑6 mm，平行段長度30 mm。母材疲勞試驗試樣尺寸如圖2 所示，其平行段全部由TC4母材組成。焊接接頭疲勞試驗試樣尺寸如圖3 所示，平行段包含了BM，HAZ 和WM 3 個區域，其中焊縫區在試樣中心處。

圖2 母材疲勞試驗試樣尺寸

圖3 電子束焊接接頭疲勞試驗試樣尺寸

1.5 疲勞裂紋擴展速率

室溫、大氣環境下的疲勞裂紋擴展速率試驗按照《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法》（GB/T 6398—2017）進行。試驗設備為電液伺服材料試驗機INSTRON-1341。軸向加載對稱正弦波，應力比同樣為0.1，載荷頻率為20 Hz。

結合標準及試樣服役情況綜合考慮，確定試樣類型為緊湊拉伸試樣（CT 試樣），CT 試樣取樣位置如圖4 所示，分別使初始預制裂紋位于尺寸為BM，HAZ 和WM 區域。CT 試樣尺寸如圖5 所示，試樣大小為62 mm×60 mm×8 mm，初始裂紋長度為12.5 mm，寬度為1.5 mm。

圖4 緊湊拉伸試樣取樣示意圖

圖5 緊湊拉伸試樣尺寸示意圖

1.6 疲勞斷口形貌

疲勞裂紋擴展速率試驗完成后，為觀察斷口形貌，尋找裂紋源位置，需要利用超聲波清洗斷口，清洗溶劑為乙醇，時間不低于30 min。斷口觀察設備為SU3500掃描電鏡。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖6 是電子束焊接頭母材、熱影響區和焊縫區在高分辨電鏡下的組織形貌。圖中母材的顯微組織是由等軸α 相和分布在α 相晶界的β 相組成。受焊接過程中熱循環的影響，母材中等軸α 相的邊緣開始溶解，向細小的片狀α′相轉變。熱影響區作為母材向焊縫區過渡的中間區域，其內部組織既有還未發生轉變的等軸α 相，也有已經轉變完成的片狀α′相。2 種接頭的顯微組織差異在焊縫區。電子束焊接頭焊縫區存在大量相互加錯的針狀α′相，文獻[15?19]指出：針狀α′相作為鈦合金中的強化相，當材料發生變形時，這些細小的針狀α′相會對位錯的運動產生阻礙作用，從而使材料強化。

圖6 電子束焊接頭各區域的顯微組織形貌

2.2 顯微硬度

圖7 是接頭各區域的顯微硬度值。由圖可知：電子束焊接頭焊縫區的顯微硬度略高于母材。母材區的平均硬度值為316 HV 左右，熱影響區值約為322 HV，電子束焊接頭焊縫區的平均顯微硬度值為330 HV。熔合線附近的硬度要高于焊縫區和母材區。

圖7 接頭各區域的顯微硬度

2.3 母材和接頭的高周疲勞性能

圖8 是鈦合金母材和電子束焊接頭的峰值應力與疲勞壽命的關系曲線。其中帶箭頭的數據點表示2×106循環之后未失效的情況，也稱作溢出點。由圖可知：30 mm 鈦合金電子焊接頭的高周疲勞性能要弱于母材。

圖8 鈦合金母材、電子束焊接頭的高周疲勞S-N 曲線

采用Basquin 方程對接頭高周疲勞試驗數據進行擬合，為

式中：Smax為最大應力；A是疲勞強度系數；Nf為失效循環周次；b為疲勞強度指數。獲得具有應力疲勞強度的擬合公式，為

式（2）為30 mm 厚度TC4 鈦合金母材最大應力與循環周次的表達式。從圖中的試驗數據點和擬合曲線可以看出，室溫條件下的應力疲勞強度為503 MPa。式（3）為30 mm 厚度TC4 鈦合金電子束焊接頭最大應力與循環周次的表達式。從圖中的試驗數據點和擬合曲線可以看出，室溫條件下的應力疲勞強度為474 MPa。電子束焊接頭的疲勞強度可以達到母材的94.2%。

表3 為30 mm 鈦合金電子束焊接頭母材和接頭的高周疲勞性能參數。疲勞壽命主要是由疲勞強度指數決定，相同載荷條件下，指數的絕對值越小，疲勞壽命值越大。由表可知：母材疲勞指數的絕對值要少于接頭。

表3 TC4 電子束焊接頭母材和接頭的高周疲勞性能參數

2.4 母材和接頭的高周疲勞斷口

圖9 和圖10 為鈦合金母材、電子束焊接頭的高周疲勞斷口。圖9(a)和圖10(a)分別是鈦合金母材、電子束焊接頭的宏觀疲勞斷口形貌。可以看到主要分為2 個區域，其中一部分較為平整，為疲勞區域，另一部分表面凹凸不平，為拉伸斷裂區域。圖9(b)和圖10(b)分別是母材和電子束焊接頭疲勞裂紋的啟裂位置，啟裂源位于試樣表面。這是因為試樣表面的缺陷處易產生應力集中，在承受拉壓循環載荷時，駐留滑移帶的不斷擠壓和侵入導致了裂紋源的形成。圖片9(c)和圖10(c)分別是母材、電子束焊接頭疲勞裂紋的擴展區域。2 個區域都可觀察到典型的疲勞輝紋。裂紋擴張的方向與疲勞輝紋的方向垂直，當應力處于最大壓應力時，裂紋前端閉合銳化。隨著應力方向變化，應力狀態轉變為拉應力，當應力達到最大拉應力時，由于裂紋前沿應力集中，使裂紋張開向前擴展，并使裂紋鈍化。隨著循環應力地不斷加載，裂紋又重新閉合銳化。如此重復，使裂紋不斷向前推進。疲勞輝紋是每次循環載荷留下的痕跡。其中，相同載荷條件下，母材高周疲勞斷口中輝紋的間距較小，約為1.49 μm，電子束焊接頭的相鄰輝紋間距為2.14 μm。輝紋間距約大，在一定程度上，可以反映材料抵抗疲勞裂紋擴展的能力越弱。圖9(d)和圖10(d)是母材和電子束焊接頭最后拉伸斷裂的區域，斷口都呈韌窩狀，說明母材和接頭在斷裂前都有著良好的塑性變形能力。

2.5 接頭各區域的疲勞裂紋擴展速率

圖11 是TC4 鈦合金電子束焊接頭的各區域疲勞裂紋擴展速率（da/dN）與應力強度因子幅度 ΔK之間的關系曲線。由圖可知，3 條擬合曲線中，熱影響區曲線斜率最大，即抗疲勞裂紋擴展性能最弱，焊縫區次之，母材區最強。尤其是當應力強度因子幅值較大時，熱影響區的疲勞裂紋擴展速率最快。

圖11 接頭各區域的疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子幅度ΔK之間的關系曲線

采用Paris 公式對接頭不同層不同區域的疲勞裂紋擴展速率試驗數據進行擬合，為

由表4 可知：30 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊接頭熱影響區的Paris 指數較大，該區域的疲勞裂紋擴展速率較高，抗疲勞裂紋擴展能力較差。

表4 接頭不同層不同區域的Paris 公式參數匯總

3 結論

（1）電子束焊接頭在循環周次為2×106時的高周疲勞強度為474 MPa；相同載荷條件下，母材的高周疲勞強度僅為503 MPa。

（2）相同載荷條件下，電子束焊接頭高周疲勞斷口中的疲勞輝紋間距約為2.14 μm，而母材的疲勞輝紋間距為1.49 μm。

（3）30 mm 鈦合金電子束焊接頭熱影響區的抗疲勞裂紋擴展性能要弱于母材和焊縫區。