海洋环境下钛合金主要服役性能研究

董月成，方志刚，常 辉，淡振华，孙洋洋，李兆峰

(1. 南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 211816) (2. 中国人民解放军92228部队，北京 100072)(3. 中国船舶重工集团第七二五研究所，河南 洛阳 471000)

1 前 言

钛合金具有高比强度、优异耐腐蚀性能、耐高温和生物相容性好等优点，在化工、航空、航天、生物医疗等领域应用广泛[1-3]。相比而言，钛合金在海洋工程领域用量偏少。据统计，2018年中国各应用领域钛加工材使用量所占比例中，海洋工程仅占4%，船舶占3%[4]，远远低于美国、俄罗斯等海洋强国的钛应用水平。随着我国海洋装备朝着下潜深度更深、大吨位舰船、走向更远海域、高航速、高机动性、高负载、高隐身性、高防护能力、高在航率、低成本的方向发展[5]，对钛合金的需求也将越来越突出。然而，目前对海洋环境下钛合金压缩蠕变、低周疲劳和应力腐蚀等服役性能研究较少，导致装备设计单位和应用单位选材困难，极大限制了钛合金在我国海洋工程装备上的应用。Miller等[6]详细研究了组织、温度和应力水平对Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo钛合金蠕变行为的影响，结果发现，当应力低于拉伸屈服强度，环境温度下的蠕变曲线会出现饱和现象，原始魏氏组织结构的蠕变应变最高。Tan等[7]研究了TC21合金等轴组织和片层组织的低周疲劳性能，并对疲劳机理进行了分析，结果表明：等轴组织比片层组织具有更高的强度、韧性和更长的疲劳寿命。Pilchak等[8]研究了Ti-8Al-1Mo-1V合金在NaCl溶液中的应力腐蚀开裂行为，发现该合金在开裂过程中会形成晶体学取向的刻面，并且在刻面上还存在与氢化物有关的局部塑性流动现象。我国对海洋环境下钛合金的服役失效研究，主要侧重于计算机模拟和装备结构设计等方面[9-14]，对于材料本身组织结构对服役性能影响的研究缺乏。TC4 ELI合金具有优异的综合力学性能，被广泛地应用在石油化工、航空航天和船舶领域。本文针对TC4 ELI钛合金在海洋环境下服役面临的压缩蠕变、低周疲劳和应力腐蚀问题，研究了TC4 ELI钛合金不同组织状态对相关服役性能的影响，为该合金的应用提供相应的数据支撑。

2 实 验

2.1 实验材料

本实验采用的钛合金为轧制态TC4 ELI合金板材，具体成分为(质量分数，%)：Al 6.20，V 4.28，Fe 0.072，C 0.010，H 0.003，O 0.076，N 0.007，Ti 余量。经过差示扫描量热法测定该合金的β转变温度(Tβ)为953 ℃。

2.2 实验方法

2.2.1 压缩蠕变

国内目前还缺乏压缩蠕变实验相关的试验设备和标准，本实验在南京工业大学自主设计的钛合金压缩蠕变实验平台上进行。加载应力分别为695，794，843，893和1092 MPa，实验时间为1500 h。

2.2.2 低周疲劳

低周疲劳实验按照国标GB/T 3075—2008《金属材料 疲劳试验 轴向力控制方法》要求，在MTS 370电液伺服低周疲劳试验机上进行。实验采用对称循环载荷作用下的应力控制，应力水平分别为600，650，700和750 MPa，应力比r=-1，实验采用的循环波形为梯形波，加载频率为0.1 Hz，保载2 s。以疲劳断裂为材料失效的判定依据。

2.2.3 应力腐蚀

按照GB/T 21143—2014《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》要求，在INSTRON1343疲劳试验机上进行不同组织状态试样的延性断裂韧度JIC测试，进而根据JIC与平面应变断裂韧度KIC的转化关系求得各试样的KIC值。应力腐蚀实验参照GB/T 15970.6—2007《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第六部分：恒载荷或恒位移下预裂纹试样的制备和应用》要求进行，实验时间1800 h。

3 结果与讨论

3.1 组织形貌

图1是TC4 ELI合金试样经过不同热处理工艺处理后的组织照片，图1a中组织由初生等轴α相+次生片状α相+晶间β相组成，呈现双态组织特征；图1b中组织由均匀交织的长条状α相组成，呈现网篮组织特征；图1c中组织为片状α相+晶界α相+晶间β相组成，原始β晶界完整，存在粗大集束，长而平直，呈现典型魏氏组织特征。

图1 TC4 ELI合金双态(a)、网篮(b)和魏氏(c)组织金相照片Fig.1 Metallographs of TC4 ELI alloys: (a) duplex, (b) basketweave, (c) Widmanstatten

3.2 压缩蠕变性能

图2是双态组织和网篮组织TC4 ELI合金在不同外加应力条件下的蠕变曲线，从图中可以看出：所有试样经过1500 h的压缩后，蠕变曲线表现为初始阶段和稳态阶段[9]，蠕变总变形量随着外加应力的增大而增大。在相同外加应力条件下，网篮组织的TC4 ELI的蠕变变形量要小于双态组织，且初始蠕变时间更长。从图2还可以看到，合金的瞬时应变量在外加应力从893增至1092 MPa时发生了突增，初始蠕变量也急剧增大。

图2 双态组织和网篮组织TC4 ELI合金在不同外加应力下的蠕变曲线Fig. 2 Creep curves of TC4 ELI alloys with duplex and basketweave microstructures under different stress level

图3是两种组织TC4 ELI合金的稳态蠕变速率随外加应力变化的关系曲线，可以看出在相同的外加应力状态下，双态组织的稳态压缩蠕变速率大于网篮组织的，说明TC4 ELI双态组织稳态蠕变速率对外加应力的敏感性更强。双态组织和网篮组织的TC4 ELI合金在794 MPa外加应力条件下的稳态蠕变速率分别为3.11×10-9和2.09×10-9s-1；当外加应力提高至1092 MPa，稳态蠕变速率也随之分别增大为4.07×10-8和2.12×10-8s-1，此时双态组织的稳态蠕变速率为网篮组织的两倍，反映出网篮组织具有更好的室温抗压缩蠕变性能。

图3 双态组织和网篮组织TC4 ELI合金稳态蠕变速率和应力关系Fig.3 The steady creep rate-stress curves of TC4 ELI alloys

3.3 低周疲劳性能

双态组织和魏氏组织TC4 ELI合金的低周疲劳实验结果如表1所示。可以看到，在同等应力水平下，双态组织试样具有比魏氏组织试样更长的疲劳寿命。以600 MPa应力幅下的低周疲劳实验结果为例，魏氏组织试样的平均疲劳寿命为6742次，而双态组织试样的平均疲劳寿命达到了15 106次，是魏氏组织的2倍多。随着应力幅值的提高，双态组织和魏氏组织试样的低周疲劳寿命均发生明显下降，每提高50 MPa应力，疲劳寿命降低到原来的50%及以上。

表1 TC4 ELI合金的低周疲劳实验结果

根据所获得的低周疲劳实验数据，绘制了应变幅随着循环次数变化的变化曲线(如图4)，双态组织和魏氏组织试样在较低的应力水平(600 MPa)下，低周疲劳过程中的应变幅值随着循环次数的增加基本保持稳定，呈现出循环稳定的特征；而在较高的应力水平(750 MPa)下，材料的应变幅值会随着低周疲劳循环次数的增加而增加，材料呈现一种循环软化特性。

图4 双态组织和魏氏组织TC4 ELI合金的应变幅-循环次数曲线Fig.4 Strain amplitude vs. cycles to failure curves of TC4 ELI alloy

图5 双态组织和魏氏组织TC4 ELI合金的应力幅-寿命曲线Fig.5 Stress amplitude vs. fatigue life curves of TC4 ELI alloys

图5是双态组织和魏氏组织TC4 ELI合金试样的低周疲劳应力幅-寿命曲线，可以看出，在相同应力下，双态组织试样的疲劳寿命都优于魏氏组织，换言之，在达到相同疲劳寿命的情况下，相比于魏氏组织，双态组织试样能够承受更高的外载荷，疲劳性能明显优于魏氏组织。另一方面，随着应力幅值的增加，TC4 ELI合金双态组织和魏氏组织的疲劳寿命变化趋势相似，表现为拟合直线的斜率没有明显区别。

3.4 应力腐蚀性能

经实验测试和计算，TC4 ELI合金双态组织的断裂韧性为65.59 MPa·m1/2，魏氏组织的断裂韧性为70.38 MPa·m1/2，说明魏氏组织阻碍疲劳裂纹扩展的能力较强。

TC4 ELI合金双态组织应力腐蚀门槛值KISCC实验结果如表2所示。当应力强度因子KI值为56.01 MPa·m1/2及以下时，未发生应力腐蚀裂纹扩展；KI值进一步增大，当达到58.19 MPa·m1/2时，发生应力腐蚀裂纹扩展，说明TC4 ELI双态组织的应力腐蚀门槛值KISCC=56.01 MPa·m1/2。TC4 ELI合金魏氏组织应力腐蚀门槛值KISCC实验结果如表3所示。当KI值达到67.48 MPa·m1/2时，未观察到应力腐蚀裂纹扩展现象，说明魏氏组织的应力腐蚀门槛值KISCC>67.48 MPa·m1/2，接近断裂韧性值。显然，相比于双态组织，魏氏组织的抗应力腐蚀性能更好。

表2 TC4 ELI合金双态组织应力腐蚀门槛值KISCC

表3 TC4 ELI合金魏氏组织应力腐蚀门槛值KISCC

4 结 论

本文研究了不同组织的TC4 ELI合金在海洋环境下主要的服役性能，主要结论如下：网篮组织TC4 ELI合金压缩蠕变性能优于双态组织；双态组织TC4 ELI合金低周疲劳性能优于魏氏组织；魏氏组织TC4 ELI合金抗应力腐蚀性能优于双态组织。

通过本文的研究可以发现，TC4 ELI钛合金不同组织对服役性能影响很大，而对于不同的服役性能，组织的影响程度也存在差异。此外，除了组织形貌，其组成相的尺寸、比例和分布等都对性能会产生影响。因此，需要在研究钛合金失效机理的基础上，优化组织结构和相关性能，并根据海洋环境下装备的服役工况进行钛合金选材，全面提高装备性能。