钛合金气瓶疲劳试验壳体开裂失效分析

张 海，欧阳瑞洁，张永红，姜玉恒

(兰州空间技术物理研究所,兰州 730000)

0 引言

TC4钛合金作为一种α+β型钛合金，具有较高的比强度和比刚度、优良的蠕变和疲劳性能、良好的耐腐蚀性等优点，在航空航天及其他工业领域应用日益广泛[1-5]。作为某型号推进分系统供气装置的钛合金气瓶，其为球形结构，采用TC4钛合金加工焊接而成，直径SR625 mm，基础壁厚1.3 mm。该气瓶加工焊接成型后进行疲劳试验，疲劳试验时，气瓶内部充3 MPa水压，在进行12次充放压后，气瓶壳体发生开裂失效，未达设计指标疲劳次数20次的要求。

1 宏观形貌分析

气瓶的开裂区域宏观形貌见图1，气瓶的开裂位置位于其中的一个半球母材上，裂纹中部张口较大。解剖后气瓶宏观形貌见图2，裂纹长约500 mm，裂纹附近气瓶表面呈亮灰色、无腐蚀及机械损伤痕迹；裂纹中部存在1处长约90 mm的平断口区(对照图1解剖前开裂位置形貌，平断口位于裂纹中部开口最大区域)，其他区域断面均为45°斜断口。

图1 爆破气瓶的宏观形貌

图2 分解后断口形貌

采用机械方法将平断口区域分解下来进行观察，平断口源区位于外表面，为线源起裂，源区及附近扩展区略粗糙、可见反光小刻面；其他扩展区较平坦、细腻，形貌见图3。以上观察结果表明，平断口区域为首先开裂区域，斜断口区域为扩展区。采用游标卡尺对首先开裂区域壁厚进行测试，随机测试3个点，壁厚分别为1.30,1.31,1.32 mm，平均壁厚1.31 mm，满足设计要求。

图3 断口宏观形貌

2 微观形貌分析

将断口置于扫描电镜下进行微观形貌观察。断口源区及扩展区呈准解理形貌，局部可见磨损形貌，终断区呈韧窝新貌，见图4。断口形貌特征表明，气瓶的开裂模式为脆性开裂[6-7]。脆性开裂区域在深度方向的深度约1 mm。

(a)断口低倍形貌 (b)断口源区准解理+磨损形貌

对断面不同区域分别进行能谱分析，包括斜断口区域(呈韧窝形貌)和准解理脆性断口区域(随机测试3个点)。测试结果表明，斜断口区域成分及含量符合TC4牌号要求，脆性断口区域Al含量比GB/T 3620.1—2016《钛及钛合金牌号和化学成分》要求值低，测试结果见表1。

表1 能谱成分分析

(a)人工断口低倍形貌

在平断口区域制备一个人工断口进行比对观察，结果表明靠近外表面断口呈准解理形貌、且可见二次裂纹[8]，表明该区域材料偏脆；靠近内表面断口呈韧窝形貌，见图5。人工断口微观形貌与裂纹断口对应区域微观形貌相似。

3 金相及显微硬度分析

在断口源区及扩展区位置分别取样,制备成金相试样并进行组织观察和显微硬度测试。

断口及附近区域的组织与正常区域的组织存在明显差异：正常区域组织为均匀的α+β双相组织[9-10]、晶粒细小；而断口附近组织也为α+β双相组织、但组织粗大，粗大组织区域在壁厚方向深约1 mm，该区域对应断口准解理区域，如图6所示。

(a)正常区域组织形貌

对粗大组织区和正常组织区分别进行显微硬度测试,测试结果如表2所示。测试结果表明，粗大组织异常区域的显微硬度明显高于组织正常区域。

表2 显微硬度测试结果

4 机理分析

能谱分析及金相分析结果表明，气瓶基体所用材料主要成分及组织状态未见异常。尺寸测量结果表明，首先开裂区域壁厚约1.31 mm，符合设计壁厚要求，不是由于壁厚超差引起的失效。

气瓶经过12次疲劳试验后，在一个半球身部开裂，裂纹附近的内外表面均呈亮灰色，未见腐蚀、机械损伤等异常痕迹。首先开裂区位于裂纹中部开裂最大区域，为平断口，该区域外表面为裂纹起源处，其断面呈准解理形貌，部分区域可见磨损形貌；扩展区为斜断口，其断面形貌由准解理形貌逐步过渡为韧窝形貌。以上形貌特征表明，气瓶的开裂模式为脆性开裂。

高、低倍组织观察结果表明，首先开裂区域外表面存在偏析缺陷，偏析区域弧长约90 mm、宽约5 mm，在壁厚方向上最深约1.0 mm；能谱分析结果表明，偏析区域Al元素含量偏低(Al含量为5.1%，GB/T 3620.1—2016中要求Al含量为5.5%～6.5%)。偏析区域组织粗大、硬度高、脆性大[11]，造成该区域在疲劳试验过程中发生开裂失效。

5 结论

通过对开裂气瓶的观察与分析认为，气瓶的开裂模式为脆性开裂，开裂原因是由于气瓶外表面局部区域存在Al偏析，偏析区域组织粗大、硬度高、脆性大，在多次充放压(疲劳试验)过程中，从外表面偏析区域起源、扩展，最终发生开裂失效。