Ti-55511合金显微组织对其高温疲劳行为的影响_陈宇强.pdf

第33卷第3期Volume 33 Number 32023 年 3 月March 2023中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous MetalsTi-55511合金显微组织对其高温疲劳行为的影响陈宇强1，贺梓泯1，潘素平2，刘会群2，伏明珠2，付永杰1，李佳1(1.湖南科技大学 高功效轻合金构件成形技术及耐损伤性能评价湖南省工程研究中心，湘潭 411201；2.中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083)摘 要：利用扫描电子显微分析(SEM)、聚焦离子束切割技术(FIB)、透射电子显微分析(TEM)等方法对比分析了双态及片层组织对Ti-55511合金的高温疲劳性能及其损伤行为的影响机理。结果表明：在350、应力比(R)为0、最大加载应力(max)为500600 MPa的疲劳加载条件下，片层组织的疲劳寿命(Nf)明显高于双态组织。双态组织的疲劳裂纹主要萌生于初生相(P)，而片层组织的疲劳裂纹萌生于晶界处粗大片层相(L)与相的界面。在裂纹扩展阶段，双态组织的裂纹尖端区域出现显著的纳米晶化，导致次生相(s)粒子完全溶解并转化为相，明显弱化了合金的抗裂纹扩展能力。由于L相对晶内变形的显著约束作用，片层组织裂纹尖端区域的纳米晶化并不明显，仍然保留了较高密度的s相粒子，因而具备较高的抗裂纹扩展能力。关键词：Ti-55511合金；显微组织；疲劳性能；疲劳损伤机理文章编号：1004-0609(2023)-03-0767-14 中图分类号：TG711 文献标志码：A引文格式：陈宇强,贺梓泯,潘素平,等.Ti-55511合金显微组织对其高温疲劳行为的影响J.中国有色金属学报,2023,33(3):767780.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43116CHEN Yu-qiang,HE Zi-min,PAN Su-ping,et al.Influence of microstructure of Ti-55511 alloy on its fatigue behavior at high temperatureJ.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2023,33(3):767 780.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43116 Ti-55511合金(Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe-1Cr合金)具有高强韧性、淬透性好、锻造性好、易焊接等特点15，被广泛应用于航空发动机压气机轮盘、叶片等部件68。这些部件长期处于高温、疲劳载荷的耦合作用下可能发生损伤并导致失效断裂，从而引起重大安全事故9。因此，Ti-55511合金在高温下的疲劳损伤行为一直是研究人员关注的焦点。大量研究表明，显微组织对钛合金的高温疲劳性能有显著影响10。部分学者认为，片层组织在高温 下 比 双 态 组 织 具 有 更 高 的 疲 劳 强 度1112。KUMPFERT 等12研 究 了 Ti-46.5Al-3.0Nb-2.1Cr-0.2W合金的疲劳性能并发现，在800、max=300 MPa的加载条件下，层状组织的疲劳强度高于双态组织。另一部分学者则认为，相比于片层组织，双态组织在高温下具有更优的疲劳性能13。于慧臣等14研究了 Ti-43A1-9V-Y 合金在 700750 下的疲劳性能。其研究结果表明，在相同温度和应变条件下，双态组织的疲劳寿命可以达到片层组织疲劳寿命的10倍。目前，研究者们对于显微组织对钛合金高温疲劳性能的影响仍然没有达成共识。DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-43116基金项目：湖南省科技创新人才计划资助项目(2019RS2064)；湖南省研究生科研创新项目(QL20220231)收稿日期：2022-04-11；修订日期：2022-05-05通信作者：陈宇强，副教授，博士；电话：0731-58290847；E-mail：中国有色金属学报2023 年 3 月许多研究发现，高温疲劳过程中钛合金的显微组织总会出现一定程度的变化1517。研究人员试图通过显微组织的演变揭示钛合金的高温疲劳损伤机理15。其中，部分学者认为，位错等晶体缺陷的运动是引起钛合金高温疲劳损伤的主要原因1516。蔡建明等15研究了双态组织TG6钛合金在600 下的疲劳损伤机理并认为，位错主要集中在P相内部并导致疲劳裂纹优先在P相内萌生。LIU等16研究TC17钛合金在400 下的疲劳失效机制，结果表明，双态组织中位错贯穿整个P相，最终导致P相内部萌生微裂纹。另一部分学者认为孪生是高温疲劳过程中的主要变形机制17。ANOUSHE等17研究Ti-6242S 合金在 200600 的疲劳损伤机理并发现，片层组织中L/界面在疲劳加载过程中容易发生应力集中，从而诱发L相内部发生孪生。综上所述，学者们关于显微组织对钛合金高温疲劳性能及其损伤机理的影响仍存在一定争议。为此，本研究以经典的近型Ti-55511钛合金为研究对象，针对双态及片层组织钛合金在350 下的疲劳行为进行研究，以期揭示不同组织特征对 Ti-55511合金高温疲劳性能及其损伤行为的影响。1实验1.1实验材料实验所采用的原材料为宝钛集团提供的 Ti-55511 合金。材料为 d=95 mm 的钛合金锻棒，/界 面 相 变 点 温 度(t)为 865 。采 用SPECTROBLUESOP型全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP-OES)分析测得合金成分如表1所示。双态和片层两种不同组织的试样分别采用如图1所示的热处理方法获得。首先，将试样分别在830 和 895 固溶处理 2 h，随后炉冷(FC)至750 保温 2 h，然后空冷(AC)至室温，最后在600 下保温8 h。为防止试样氧化，热处理前在试样表面涂覆一层Cr2O3粉末。1.2性能测试采用Zwick Vibrophore 100 kN高频疲劳试验机对试样进行高温力学拉伸和高温疲劳实验。实验前均采用13/min的升温速度加热到350 并保温12 min。在高温力学拉伸过程中，试样屈服前加载速度为0.126 mm/min，屈服后至断裂的加载速度为2.52 mm/min。高温疲劳实验采用的加载频率(f)为70 Hz，R=0。max分别取500 MPa、550 MPa和600 MPa。每种应力状态取5个平行试样，以107周次为疲劳加载极限。高温疲劳实验所用的试样尺寸如图2所示。实验前，用砂纸将试样中间平行段逐级打磨至表面光滑。1.3显微组织分析采用JSM5600场发射扫描电子显微镜对双态及片层组织Ti-55511合金的显微组织进行观察。使用HELIOS NanoLab 600i型电子双束显微镜进行聚焦离子束切割取样，制备成厚度为80100 nm的TEM样品。利用Titan G2 60300物镜球差校正场发射透射电镜对试样进行TEM、高分辨透射电子显微分析(HRTEM)，工作电压为300 kV。表1Ti-55511合金化学成分表Table 1 Chemical composite of Ti-55511 alloy(mass fraction,%)Al5.07Mo4.81V4.74Cr0.95Fe1.06TiBal.图2高温疲劳试样尺寸Fig.2Dimensions of high temperature fatigue specimens(Unit:mm)图1双态和片层组织 Ti-55511 合金的热处理方法示意图Fig.1 Heat treatment routes of Ti-55511 alloys with bimodal and lamellar microstructures768第 33 卷第 3 期陈宇强，等：Ti-55511 合金显微组织对其高温疲劳行为的影响2实验结果2.1显微组织图3(a)和(b)分别表示双态、片层组织的背散射电子(BSE)-SEM像。可以看出，双态组织中存在大量椭球状的P相粒子，直径为510 m(见图3(a)。在片层组织中，粗大的L相随机分布在基体中，长度在1550 m之间(见图3(b)。两种组织的基体中都分布了大量针状的s相。这些s相均匀细小，尺寸不到2 m。2.2高温拉伸应力应变曲线图 4 所示为双态和片层组织 Ti-55511 合金在350 下的拉伸应力应变曲线，其拉伸性能数据如表2所示。由图4可见，两种组织在弹性变形阶段的斜率几乎相等，其弹性模量(E)分别为91.1 GPa和93.9 GPa。这说明双态和片层组织对合金的E值影响较小。此外，片层组织在拉伸过程中的屈服强度(0.2)和抗拉强度(b)明显更高，相比于双态组织分别高出26.7%和18.2%。但是，其在350 拉伸变形过程的塑性变形区间较窄，不到双态组织的一半。片层组织在 350 下的伸长率()仅为 7.2%，而双态组织的值则高达17.3%。2.3高温疲劳加载应力寿命(SN)曲线图5所示为350、R=0条件下双态和片层组织Ti-55511合金的SN曲线。由图5可看出，在max为500 MPa、550 MPa和600 MPa的三种疲劳加载条件下，双态和片层组织的Nf值都随着max的增加而明显降低。在相同的应力加载水平下，片层组织比双态组织具有更高的Nf值。在max=600 MPa的疲劳加载条件下，片层组织的平均Nf值为6.34106周次，相比双态组织增加了90.5%。但两种组织的Nf值差异随着max的减小而逐渐降低。2.4高温疲劳断口形貌2.4.1双态组织的疲劳断口形貌图6所示为双态组织Ti-55511合金在350、max=600 MPa加载断裂后的疲劳断口SEM像。试图3合金的BSE-SEM像Fig.3 BSE-SEM images of specimens:(a)Bimodal microstructure;(b)Lamellar microstructure图4双态和片层组织Ti-55511合金在350下的拉伸应力应变曲线Fig.4Tensile stressstrain curves of Ti-55511 alloy with dual state and lamellar structure at 350 表2片层和双态组织Ti-55511合金在350 下的拉伸力学性能数据Table 2Tensile mechanical properties of specimens with bimodal and lamellar microstructures at 350 SpecimenBimodalLamellarE/GPa91.193.90.2/MPa642813b/MPa798943/%17.37.2769中国有色金属学报2023 年 3 月样断口左侧出现了以裂纹源为中心、呈放射状的裂纹扩展区域(见图6(a)。其中，裂纹源位于扩展区的左上侧，距离试样表面约200 m，类似鱼眼状(见图6(b)。由图6(c)可知，疲劳裂纹萌生于晶内的P相内部，且裂纹萌生区附近有台阶状的小刻面。图6(d)所示为断口右侧瞬断区的放大图，其中分布着众多剪切变形产生的细小韧窝。结合图6(e)和(f)可以看出，随着与裂纹源距离的增加，疲劳辉纹间距明显增加。裂纹源附近的疲劳辉纹间距为1.13 m，疲劳裂纹扩展区边缘位置的疲劳辉纹间距已经达到9.14 m。2.4.2片层组织的疲劳断口形貌图7所示为片层组织Ti-55511合金在350、图5两种不同组织的Ti-55511合金在350、R=0时的SN曲线Fig.5SN curves of heat-treated Ti-55511 alloy with two kinds of microstructures at 350 and R=0图6双态组织Ti-55511合金在350 时的疲劳断口SEM像(max=600 MPa)Fig.6SEM images of Ti-55511 alloy with bimodal microstructure afte