富氧α层对钛合金直角接头开裂的影响

陈 星，董志国，姜 涛，刘含洋

(1.北京航空材料研究院，中国航空工业集团公司失效分析中心，试金石检测科技有限公司，北京 100095;2.中国航空工业集团公司沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015)

0 引言

钛合金具有高比强度、较宽的工作温度范围和优异的抗腐蚀能力，在航空发动机上运用广泛。目前，先进发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等关键部位均由钛合金制造。钛合金具有较强的缺陷敏感性，因而成为制约钛合金零件的合格率和工作可靠性的重要因素［1］;因此，对钛合金热熔炼工艺缺陷导致故障进行深入研究更显必要。

某液压系统进行地面开车试验约2 h时，发现钛合金管接头喷油现象(该接头材料牌号为TC6M，主要制造工序为:锻造→热处理→机加→表面阳极化→装配)。后更换另一件直角接头继续工作约3 h在同样位置也发生开裂喷油现象。对其中一件直角接头进行断口宏、微观观察，对接头进行金相组织和硬度检查，以确定接头的开裂性质和原因，为后续的试验提供可靠的数据。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观观察

裂纹位于接头直角转弯处，裂纹总长度约15mm(图1)。将断口人为打开，源区位于构件最薄处，在体式镜下观察，该断口呈线源，源区可见金光闪闪的小刻面特征，厚度约0.1mm(图2)。断口扩展区为明显的疲劳弧线特征，且疲劳区已穿透接头的厚度。对断面颜色进行观察，在明显疲劳弧线处断面呈深蓝色+紫色，且从该角向远处颜色逐渐变浅;从源区到接头厚度方向之间的区域内呈黄色;扩展后期的断面呈灰色。

1.2 断口微观观察

将接头断口经超声波清洗后置于扫描电镜进行观察，接头呈线源，在源区可见距离外表面厚度约0.1mm的呈解理开裂形貌，低高倍形貌分别见图3和图4，对源区进行能谱分析，可知该区域除了基体元素外，还含有11.61%(质量分数)的O元素。源区侧表面未见明显的损伤痕迹。在裂纹扩展过程中，可见明显的疲劳弧线(图5)，在疲劳弧线间还可见明显的疲劳条带形貌(图6)，能谱分析表明该区域O元素含量较少。对疲劳弧线靠近表面区域处的深蓝色+紫色区域进行能谱分析，可知该区域的O元素含量更高，达到了17.64%(质量分数)。所测能谱分析结果见表1。

1.3 金相检查

在接头源区附近和离源区较远处分别截取金相试样，磨制抛光、腐蚀后进行金相组织观察。源区附近表面可见厚度约0.1mm的富氧α层，并且α相约占富氧层的70%(图7)。离源区较远处金相也可见明显的富氧α层，其中α相约占富氧层的60%(图8)。在富氧α层多处区域分布着约50 μm深的裂纹(图9)。对该裂纹尖端处进行能谱分析，结果表明未见阳极化溶液元素(P、N元素);因此，可推断该细小裂纹可能产生于阳极化之后。基体组织为正常的双态组织(图10)。

1.4 硬度测试

在接头断口附近截取硬度试样，磨制抛光后进行维氏硬度测试，对接头距外表面不同深度硬度测试结果见表2。由表2可作曲线见图11，接头的基体硬度值约为377.3 HV。朱知寿等［2］的研究表明，以表面硬度与基体硬度两者HV相差20 HV为判断富氧α层的依据;因此，按氧化层厚度判断方法，该接头的富氧层厚度已经大于0.15mm。

表1 能谱分析结果(质量分数 /%)Table 1 Results of energy spectrum analysis(mass fraction/%)

表2 接头距外表面不同深度硬度测试结果(HV100)Table 2 Hardness testing results near the outside surface(HV100)

2 分析与讨论

由接头断口宏、微观观察结果可知，接头断口可见明显的疲劳弧线和疲劳条带，推断该接头的开裂性质为疲劳开裂。其中断面上各个区域的颜色分界较明显，分析认为接头开裂后，在高频振动的作用下，两断口发生了不同程度的摩擦和氧化而形成的。

由直角接头断口分析和金相观察结果可知，接头的源区均可见厚度约0.1mm的富氧α层，远离源区处也可见厚度约0.05mm的富氧α层。由硬度测试结果，可知该富氧α层的硬度较基体均高出较多，对图11分析可知，以表面硬度与基体硬度相差20 HV作为判断富氧α层的依据［2］，本次故障的直角接头的富氧α层厚度应大于0.15mm。将直角接头表面富氧α层人为打开后，断口形貌与图4相同，由此说明含有富氧α层的钛合金即使发生疲劳断裂，在表面富氧α层源区处也呈过载断裂特征，形成该形貌与富氧α层处硬度值大大高出基体值有关。

对一般的钛合金生产过程而言，氧元素除了在接头表面形成氧化层外，还向基体中扩散形成脆性富氧层，从而影响合金力学性能。一般富氧层可分为3层，最表层为氧化皮层，第2层为所含α相含量大于基体α相含量区域，第3层为表面硬度与基体硬度相差20 HV作为分界层。研究表明，对一般的钛合金来说，在500℃左右加热，钛合金表面会形成0.01mm以下的氧化膜，氧化膜的主要成分为TiO，在450～600℃下，保温15～120 min的热处理过程中，富氧α层形成速度较慢，富氧α层深度随热处理保温时间的延长变化不大;在700℃以后，富氧α层深度才有较大的变化。在900～1000℃以上氧化，富氧α层深度可达到0.1mm以上，而且在表面可以观察到TiO2氧化皮。随着氧化温度的升高和时间的延长，富氧层厚度增加［2－6］。富氧α层的存在对构件的疲劳性能会产生较大的影响，大大减小构件的萌生寿命［7］。

从受力情况进行分析可知，断口呈线源，且断面均可见明显的疲劳弧线特征，说明该位置承受了较大的应力。通过断口分析可知，整个断口可见明显的疲劳弧线+疲劳条带形貌，每一条疲劳弧线对应于一次大的冲击载荷产生的特征，而小的疲劳条带对应于小载荷留下的痕迹［1］;因此，本次接头开裂应该经历了正常的油压冲击的基础上还叠加了较大的冲击载荷。产生较大的应力可能有以下几个方面原因:1)接头断裂位置处于直角的交接处，为应力集中区域，且设计裕度较小，为接头的断裂提供了结构应力。锻件成型之后进行酸洗、喷砂、阳极化处理等工序，由于裂纹处于锻件凹面区域，喷砂工艺未能完全处理干净表面污染，使得该处存在污染较严重区域，加速了接头的开裂。2)若接头装配应力过紧，致使接头不仅承受管内的油压，还要承受装配应力，对裂纹的扩展有较大影响。3)当飞机进行起飞或停车等各种动作时，油压的供给量瞬间增大或减小，对油管和接头的整体激烈振动提供动力，若该振动与发动机系统本身的振动达到平衡并形成共振时，接头的受力将急剧增大，特别是对富氧α层较厚的接头产生的影响更大。4)机械加工的振动过大也会促使硬度较高的富氧α层开裂，但从裂纹断口的能谱分析未见明显的阳极化元素，推断裂纹产生于阳极化之后，机械加工的残余应力对裂纹的产生有一定的影响，但影响相对较小，并在后续的阶段发生疲劳开裂。

3 结论

1)直角接头的开裂性质为疲劳开裂，开裂原因与接头承受的大应力和源区较厚的富氧α层有关;

2)鉴于该接头受力较大，建议在彻底去除富氧α层的前提下，适当增加设计裕度。

［1］陶春虎，刘庆瑔，曹春晓，等.航空用钛合金的失效及其预防［M］.国防工业出版社，2002.

［2］朱知寿，王新南，吴崇周，等.钛合金富氧α层的形成与测定方法研究［J］.稀有金属快报，2007，26(12):24－28.

［3］贾蔚菊，曾卫东，刘建荣，等.Ti60高温钛合金氧化行为研究［J］.稀有金属材料与工程，2010，39(5):781－786.

［4］王清瑞，黄利军，黄旭，等.熔滴对TB6钛合金高周疲劳性能影响［J］.稀有金属，2009，33(3):295－298.

［5］蔡建明，马济民，郝孟一，等.钛合金中的硬α缺陷及其等离子体冷炉熔炼控制技术［J］.失效分析与预防，2007，2(2):51－57.

［6］张卫方，刘庆瑔，陶春虎，等.钛合金损伤与预防的研究进展［J］.材料工程，2003(增刊):21－25.

［7］刘昌奎，刘华.TA15钛合金焊接接头性能与断裂行为研究［J］.失效分析与预防，2006，1(2):45－48.