超高強鈦合金疲勞行為研究進展

袁天經,張欣蔚,景家瑞,吳小文,樊亞龍,賴敏杰,李金山

（西北工業大學凝固技術國家重點實驗室,陜西西安710072）

　　摘要：超高強鈦合金具有高比強度、高淬透性、耐損傷和優異的耐蝕性等優點，被廣泛應用于飛機起落架、機身框架和緊固件等高強度結構件的制備。在實際服役過程中，這些構件常常在循環載荷的作用下發生疲勞失效，因此深入研究超高強鈦合金的疲勞失效規律和失效機理，既具有重要的科學意義，又能對實際工程應用提供指導。本研究綜述了目前關于超高強鈦合金疲勞行為的研究，并探討了經變形及熱處理調控的微觀組織對合金疲勞損傷機制的影響。具體關注了在雙態和全片層組織中，α相的取向體積分數、尺寸和分布等特征參量對合金在疲勞裂紋萌生和擴展兩個階段內的變形行為損傷模式的作用機理。此外，還關注了超高強鈦合金的疲勞性能強化手段，并對未來超高強鈦合金疲勞研究方向進行了展望。

　　關鍵詞：超高強鈦合金;疲勞行為;微觀組織;裂紋萌生;裂紋擴展

　　文中主要圖表

　　（序號為文中序號）

圖1 Ti-1023直升機槳轂中央件失效案例

圖2 Ti-5551合金中的裂紋萌生位置

圖3經超高周疲勞加載后TC17鈦合金中αp的KAM圖

圖4β-CEZ合金中的裂紋萌生位置

圖5 Ti-22V-4Al合金裂紋萌生處的刻面

圖6 TC17鈦合金裂紋擴展初期的傾斜刻面團簇

圖7 Ti-55511合金中αp上的疲勞條紋

圖8β-C合金中的裂紋擴展路徑

圖9 TB6鈦合金疲勞小裂紋的擴展過程

　　結論

　　本研究對超高強鈦合金疲勞行為的相關研究，尤其是對疲勞裂紋萌生機制的研究進行了綜述，并總結如下：

　　（1）等軸初生α相、針狀次生α相或片層狀次生α相均可對疲勞裂紋萌生機制產生重要影響。

　　（2）當初生α相的體積分數較高時，疲勞裂紋通常在初生α相中萌生；當初生α相的體積分數較低時，粗大的α片層集束和晶界α相也常成為裂紋萌生位置。

　　（3）當大量的細小針狀次生α相彌散分布于β基體時，裂紋萌生轉而受β晶粒影響。

　　（4）在疲勞裂紋擴展過程中，裂紋擴展路徑受微觀組織的影響，并且只有與裂紋尖端塑性區尺寸相當的微觀組織才會對裂紋擴展路徑產生明顯的影響。通常情況下，裂紋擴展路徑越曲折則裂紋擴展壽命越長。

　　（5）通過合理的表面強化工藝處理一般可以有效提升超高強鈦合金的疲勞性能，其作用機理通常是在表面層引入壓應力，以抵消一部分疲勞加載時的拉應力；或提高裂紋閉合程度，從而降低裂紋擴展速率。但不合理的表面強化工藝則會惡化疲勞性能。

　　目前關于超高強鈦合金裂紋萌生行為的研究大多仍局限在現象描述上，缺少對其主導微觀機制和多種機制競爭關系的深入討論，對于亞表面裂紋萌生等特殊現象，也尚未出現可以被廣泛接受的解釋。此外，由于超高強鈦合金中αp體積分數較小以及αs相細小且均勻彌散分布，因此需要研究β相以及α/β界面的位錯傳遞在裂紋萌生中的作用。在探究工藝和組織對超高強鈦合金疲勞性能影響的工作中，應從微觀機制的角度尋找起本質作用的微觀因素，并關注微觀組織和疲勞性能之間定量關系的建立，以便準確預測超高強鈦合金的疲勞行為。