钛合金型材生产过程中性能影响因素分析

侯 睿

（西安赛特金属材料开发有限公司，陕西 西安 710299）

钛合金型材的组成为Ti-6Al-4V，属于(a+b)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能；比强度大；强度sb=1.012MPa；密度g=4.4＊103；比强度sb/g=23.5；而合金钢的比强度sb/g小于20。考虑到钛合金型材自身具备耐久性、硬度以及疲劳性的特点，在生产过程中对钛合金型材进行加工，能够有效的改变钛合金型材的机械性能[1]。我国对钛合金型材生产过程中性能影响因素分析的研究起步较早，早在很多年前就有对钛合金型材进行热加工的经验，通过改变钛合金型材中原子排列的方式，可达到提高钛合金型材硬度以及增加钛合金型材使用寿命等目的，取得了一定的研究成果，并于1960年获得两项专利，能够在提高钛合金型材质量的同时，取得一定的经济效益。为此，本文在此基础上进行钛合金型材生产过程中性能影响因素分析。

1 钛合金型材生产过程中性能影响因素分析

本文研究依据严格遵守《钛合金型材应用技术规范》中Ⅱ类GB/T 50448—2008的技术要求，在此基础上，对钛合金型材生产过程中性能影响因素分为三类进行重点分析。

1.1 冲压时低周疲劳载荷对高周疲劳特性的影响

在钛合金型材生产过程中往往会在冲压时出现低周疲劳载荷，在进行低周疲劳载荷对高周疲劳特性的影响分析中，本文结合美国AFRL材料指导委员会针对低周疲劳载荷于高周疲劳特性之间的关系进行的一系列实验。实验结果表明：初始裂纹在低周疲劳载荷下形成,随后的高周疲劳试验的载荷较低，预加载的低周疲劳载荷相当于过载。考虑到钛合金型材生产过程中存在的冶金缺陷，提高高周疲劳极限应力是提高钛合金型材高周疲劳特性的关键因素。因此，低周疲劳载荷预加载能导致过载或欠载两种情况出现，必须在具备预加载状态的同时，最大限度上保障钛合金型材加工的精度。在钛合金型材生产过程中，由于钛合金型材的屈服点强度与最大强度之间差距很小，一般情况下小于10%，且硬度较大，必须通过确定低周疲劳载荷计算高周疲劳极限应力，从而避免过载或欠载两种情况出现。设钛合金型材高周疲劳极限应力为p，则其计算公式，如公式（1）所示。

在公式（1）中：T表示为钛合金型材生产过程中轴承运转可承受的最大轴力矩；λ表示为钛合金型材生产过程中多种外界影响因素；t表示为钛合金型材低周疲劳载荷；r1表示为发生的瞬时应力；r2表示为高频率应力。在得出钛合金型材高周疲劳极限应力之后，可知低周疲劳载荷越大钛合金型材高周疲劳极限应力的数值也就越大，两者之间呈正比例增长关系。这就意味着，低周疲劳载荷对高周疲劳特性具有积极的影响，提高低周疲劳载荷能够增强钛合金型材生产过程中的高周疲劳特性。

1.2 切削时钛合金型材表面损伤对高周疲劳特性的影响

针对钛合金型材表面损伤影响钛合金型材高周疲劳特性的过程进行模拟，本文采用发动机吸入碎片法模拟表面损伤对高周疲劳特性的影响，致力于真实的模拟表面损伤的实际情况。通过模拟可得表面损伤的主要特征是能够形成冲击坑剪切带，而冲击坑剪切带能够增强钛合金型材疲劳裂纹的扩展能力，进而增强钛合金型材高周疲劳特性。可以将冲击坑剪切带看作一个会向两端延伸的点，设冲击坑剪切带的延伸能力为fc，则其换算公式，如公式（2）所示[2]。

在公式（2）中，f0表示为变形产生的残余应力。也就是说，在钛合金型材生产过程中出现表面损伤时，通过表面损伤造成的钛合金型材变形产生的残余应力越高，则冲击坑剪切带的延伸能力越强，该钛合金型材的高周疲劳特性越好。

除此之外，在非零入射角情况下，表面损伤对高周疲劳特性的影响分析结果表明，由于外物冲击会在钛合金型材表面建立了一个较大的压缩应力区，而在钛合金型材损伤区的附近表面会产生一个小的拉应力区。拉应力区能够有效抵消表面损伤变形产生的残余应力，因此，非零入射角冲击后的冲击坑剪切带的延伸能力会大幅度的降低。与此同时，非零入射角情况下，考虑到钛合金型材表面冲击点难于控制，会导致拉应力区大小和拉应力大小出现显著的变化，进而影响钛合金型材高周疲劳特性的集中度，致使钛合金型材高周疲劳特性减弱。

这就说明，在钛合金型材生产过程中一定要尽可能的避免非零入射角情况下的表面损伤，避免其对高周疲劳特性的消极影响。一旦出现此情况，南京航空学院的孙振德和鲁启新通过实验证明热处理工艺中的退火工艺能够有效解决此问题。在实际工作中，每一件钛合金型材自身的尺寸以及裂纹，都可以看作是断裂力学的出发点。钛合金型材和退火工艺存在的断裂韧性关系只要指的就是通过对钛合金型材退火，达到消除内应力以及降低硬度的目的，致力于得到近乎平衡的钛合金型材内部组织。

1.3 热曝露温度和时间对钛合金高温抗氧化性的影响

考虑到钛合金型材生产过程中会长时间处于高温状态下，因此分析热曝露温度和时间对钛合金高温抗氧化性的影响是必不可少的。

结合张卫方等将高温下钛合金表面的氧化层分为四个区域，分别为：氧高度污染区、氧化膜区、氧高梯度扩散区以及氧缓慢扩散区。热曝露温度与钛合金高温抗氧化性之间的断裂韧性关系主要依据钛合金型材自身的临界点，当温度达到临界点再退去之后，钛合金型材中位错会明显减少，导致位错密度下降，从而提高钛合金型材的强度。这样一来，能够有效提高钛合金型材的高温抗氧化性。由于使用不同工艺进行钛合金型材生产，在生产加热过程中钛合金型材内部组织发生回复再结晶转变，很容易影响钛合金型材的高温抗氧化性。因此，需要延长保温时间，直至碳化物逐渐溶入基体中，钛合金型材的强度以及伸长率都处于上升状态，且均匀弥散在晶粒内部。将钛合金型材热曝露温度控制在熔点下再结晶获得钛合金型材内部组织的细化，此时，由于碳化物的固溶，迫使钛合金型材的高温抗氧化性达到最大，进而提高钛合金型材的高温抗氧化性。

钛合金型材生产过程中，由于钛合金型材的心部和表层冷却速度的不同，因此，热曝露时间对钛合金的高温抗氧化性也存在一定影响。

当钛合金型材的心部在冷却时，其热曝露时间必须高于表层热曝露时间；当钛合金型材的表层在冷却时，表层热曝露时间必须长于心部。冷却速度是钛合金型材热曝露时间一个决定性的影响因素，在冷却后期延长钛合金型材进行缓冷，其目的在于能够达到抑制钛合金型材淬裂或是减少钛合金型材应力值，在提高钛合金型材截面中心部位截面温差的同时，尽可能的减少钛合金型材冷却收缩的速度。通过激活原子，使其能够按照钛合金型材冷却收缩的速度进行迁移，提高钛合金型材的高温抗氧化性。

2 结语

本文通过分析钛合金型材生产过程中性能影响因素，提出三种具体影响。希望能够通过本文得出的理论依据，为建筑行业经济效益的提升提供技术指导。截止目前，国内外针对钛合金型材生产过程中性能影响因素的研究仍存在一些问题，缺少专业性极强的配套试验研究装置，因此，在后期的建筑行业市场调研过程中，可通过进行钛合金型材生产工艺的优化设计，进一步提高钛合金型材的综合性能。