发布日期：2024-8-15 11:04:40
引言
航空发动机风扇机匣、转子叶片和钛合金整体叶盘等部件在焊接制造过程中，由于焊接温度已经超过钛合金的相变温度，因此会导致焊接部位由α+β双态组织转变成其他组织形貌，降低了该部位的疲劳强度，进而导致从焊接部位断裂的故障时有发生[1-2]。由于焊接后钛合金的组织状态发生了变化，那么焊缝处的抗疲劳性能裕度设计就不能按照材料数据手册当中α+β双钛组织力学性能来考虑，因此开展TC4合金过渡态组织的疲劳性能试验，研究过渡态组织下TC4钛合金的高周疲劳性能变化情况是很有必要的。
此研究不仅可以为航空发动机风扇机匣、转子叶片和钛合金整体叶盘等焊接工艺选择优化及强度计算分析提供数据支持，并且可以为其在设计阶段采用合理的焊接工艺及设计改进提供技术依据，同时可对航空发动机用钛合金的力学性能数据进行补充和完善。
本文主要针对TC4型钛合金在5种热处理状态下的高周疲劳性能进行了研究，通过测定其疲劳强度，分析组织状态的变化对TC4型合金高周疲劳性能的影响。
1、试验过程及数据结果
1.1试验计划
TC4合金的相变温度为882.2℃，焊接部位焊接区域和热影响区受热温度不同，造成焊接结束后两区域组织不同，因此在700~1100℃温度区间选取5个温度点（700℃、800℃，900℃、1000℃、1100℃）对TC4合金进行热处理，热处理工艺为退火，退火时间2h，充分保证钛合金试样组织变化完全。对以上5种不同热处理状态及室温下的TC4合金开展室温高周疲劳试验，测定疲劳强度，结果如表1所示，分析组织状态的变化对TC4合金高周疲劳性能的影响。
1.2试验件设计与试验设备
经不同热处理TC4胚料机将试验件加工成漏斗形高周拉伸试样，试样尺寸如图1所示。高周疲劳试验采用瑞士Rumul8604-128型高频疲劳试验机。
1.3试验结果
1.3.1高周疲劳试验结果
试验各热处理状态下TC4合金在室温、R=0.1条件下的高周疲劳性能，疲劳强度计算及统计分析结果如表2—表13所示。去掉各组试验的异常数据，不同应力对应的寿命如图2—图7所示。
1.3.2组织形貌
TC4合金经不同温度热处理后的组织形貌如图8所示。随着热处理温度的升高，TC4合金组织形貌的由α+β双钛组织转变成魏氏组织。
1.3.3高周疲劳断口分析
TC4合金经不同温度热处理后的高周疲劳断口形貌如图9所示。在钛合金热处理温度在900℃以下的时候，断口表面较平坦，可见到明显的疲劳弧线和放射棱线特征，当热处理温度超过1000℃，断口表面起伏较大。
2、分析与讨论
将不同温度热处理的钛合金试样的高周疲劳极限拟合成曲线，如图10所示。从图10可以看出，随着热处理温度的升高，钛合金疲劳极限呈现下降趋势，但是不是呈线性的下降，从表14中可以看出，钛合金在室温状态下和经过700℃热处理后的疲劳极限略有下降，说明在700℃的热处理对TC4合金组织状态几乎没有影响，随着热处理温度的提高，TC4合金组织状态慢慢发生变化，当热处理温度超过钛合金的相变温度时，α相到β相的相变过程通常会伴随着合金元素的再分配过程，元素的再分配会影响相变过程、相的成分及构件的力学性能[3-5]。
钛合金在正常状态下，Al元素会在α相中富集，而V元素会在β转变组织中富集，这一现象被称作合金元素的分配效应。当热处理温度接近相变温度甚至超过相变温度时，Al元素（或者V元素）的浓度梯度会大幅度下降。这一现象主要由两个原因引起：在热处理过程中，当热量输入超过相变点时，这些热量一方面会促使初生α相发生相变并转变为β相，另一方面也会为原子扩散提供更多的能量。以上两点都会使得α相（β转变组织）中的Al元素（V元素）的浓度梯度降低，进而导致钛合金抗疲劳极限的下降。
关于1100℃热处理下的合金疲劳极限反而比1000℃热处理下的合金疲劳极限高，可能原因就是1100℃热处理过程提供的热量更多，原子扩散及Al元素（V元素）的重新分配比较充分，1100℃下的魏氏组织状态较1000℃的组织状态好，导致1100℃热处理下的钛合金疲劳极限反而升高。
3、结论
1）钛合金在室温、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃六种状态下TC4合金的疲劳强度分别为782.7MPa、780MPa、725.6MPa、660MPa、553.3MPa和590MPa，均满足95%置信度。
2）随着热处理温度的升高，TC4合金的高周疲劳强度逐渐降低，1100℃热处理状态下的疲劳强度略高于1000℃热处理状态下的疲劳强度。
3）热处理过程中产生的元素再分配过程是导致钛合金高周疲劳极限随着热处理温度的升高而降低的主要原因。
参考文献
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