分享：TC6钛合金安装座荧光显示缺陷原因

詹 平,全琼蕊,谢 善,李 欣 

(中国航发航空科技股份有限公司,成都 610500) 

摘 要:某 TC6钛合金安装座在航空发动机上试车后,拆机进行荧光检查,在该安装座圆弧处 发现长度约4mm 的线性荧光显示。采用宏观观察、微观分析、金相检验、硬度测试、能谱分析等方 法对荧光显示缺陷产生的原因进行了分析。结果表明:该安装座上的荧光显示缺陷为疲劳裂纹。 安装座圆弧表面在人工砂轮打磨时完整性被破坏,形成了疲劳裂纹源,在试车过程中裂纹扩展,并 与没有完全去除的锻造折叠裂纹相连接,最终形成了缺陷。

关键词:TC6钛合金;荧光显示;疲劳裂纹;锻造折叠裂纹 中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0067-04

钛合金因具有高比强度、高热强度及良好的抗 腐蚀性能、耐低温性能等优点,能满足现代航空发动 机减轻结构质量、提高结构效率、增加燃油效率等的 需求,在航空发动机中得到了广泛应用[1-3]。钛合金 的化学活性高,在磨削加工过程中易产生烧伤等问 题,当磨削温度达到600 ℃以上时还可能产生磨削 裂纹(裂纹方向基本与磨削痕迹相垂直),同时钛合 金工件表面易形成富氧α相,导致钛合金的力学性 能降低[4]。钛合金工作面的表面形貌、残余应力、粗 糙度等表面质量对钛合金工件的疲劳寿命影响很 大,其中表面粗糙度越大,疲劳寿命越低[5-8]。 许多结构复杂的钛合金工件通常采用锻造工艺 来制造,但由于钛合金较差的导热性能、较低的弹性 模量及锻造工艺本身的特点,使得钛合金锻件易出 现锻造折叠裂纹缺陷[9]。 某 TC6钛合金安装座为航空发动机中的重要 连接件,采用锻造工艺加工成型,其圆弧处因结构特 殊而使用手工磨削加工。该 TC6钛合金安装座在 发动机上试车后,拆机进行荧光检查,发现在该安装 座圆弧处有4mm 左右的线性荧光显示。笔者对其 进行了一系列检验和分析,找出了该缺陷发生的原 因,并提出了改进措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

该 TC6钛合金安装座的荧光显示呈线性分布 在圆弧处,如图1所示,为长度4mm 左右的裂纹。 可见裂纹呈锯齿状,基本沿直线扩展,扩展路径上有掉块,扩展方向基本与打磨痕迹保持垂直,如图2所 示。裂纹区域打磨痕迹明显,局部有坑洞,如图3所 示,并有疑似因烧伤形成的褐斑存在[10]。将裂纹人 工打开,如图4所示,可见裂纹深度约0.5mm,整个 断面较为平坦。 

1.2 微观分析 

采用JSM6610LV 型扫描电镜(SEM)对断口进 行观察,如图5和图6所示,可见裂纹源为线源,裂 纹扩展区存在大量二次裂纹,局部呈现河流状花纹, 有小刻面和解理台阶,为脆性断裂特征,且局部有放 射棱线和疲劳条带。

1.3 金相检验 

沿断口截面磨制金相试样,抛光后使用5%(质 量分数,下同)HF+12%HNO3+83%H2O 溶液浸 蚀,在光学显微镜下观察其形貌,如图7所示。可见 打磨区域表面组织为较为明显的拉长组织,其平均 深度约为200μm,近表面有锻造工艺产生的流线组 织,局部有涡流状,其深度约700μm。 由图7还可见打磨区域表面完整性较差,过渡 不圆滑,有许多的坑洞,尤其是靠近裂纹位置的表 面,其组织拉长变形严重;裂纹源区附近有掉块、脱 落,断面较为齐整,呈现两段式扩展,第一段裂纹较 短,与 表 面 基 本 呈 60°夹 角,裂 纹 向 内 扩 展 约 50μm 后,转而形成第二段裂纹,该段裂纹较长,约 为500μm,与表面基本呈30°夹角,并伴随有多处二 次裂纹,裂纹侧面显微组织是与基体明显不同的聚 集α相,厚度约为60μm。打磨区域表面可见多处 严重变形的烧伤层和剥落,存在厚度为20~30μm 的α层。

1.4 硬度测试 

采用 VH3100型维氏显微硬度计分别在裂纹 源侧的富氧α相区、打磨区域近表面、裂纹扩展区侧 面及基体等4个位置进行显微维氏硬度测试,结果 见表1。可见裂纹源侧富氧α相的硬度明显高于其 他位置。

1.5 能谱分析

采用能谱(EDS)仪分别对打磨表面、裂纹源区、 裂纹扩展区附近、人工打断区等4个位置进行微区 成分分析,结果见表2。可见除人工打断区域外,其 余3个位置均存在较高的氧元素。

2 分析与讨论 

该 TC6钛合金安装座的裂纹扩展区呈解理特 征,且观察到疲劳弧线,打断区为韧性断裂,判断该 缺陷为加工过程中产生的裂纹[11]。 该安装座的圆弧角为人工砂轮打磨完成,宏观 观察发现有掉块和疑似烧伤的褐斑,整个圆弧角均 存在粗糙的、不同角度的磨削痕迹,局部还伴随有大 量的垂直于磨削痕迹的裂纹。微观分析发现打磨区 域表面的显微组织变形严重,硬度测试表明该区域 硬度明显高于基体硬度。文献[10-13]表明,在磨削 过程中工件易受到砂轮的挤压,产生形变强化,同时 因磨削产生的高温可能会导致钛合金氧化、α相粗 大化,即产生硬且脆的富氧α层,导致在多个位置出 现掉块现象。 由断口微观分析可知,裂纹源区部分呈现两段 式扩展 上 。第二段裂纹长度是第一段裂纹的10倍以 ,且伴随出现大量的二次裂纹,裂纹侧为富氧 α 相,EDS分析显示该处氧元素含量明显较高,以上 特征均符合钛合金锻造裂纹的特征。但宏观观察结 果表明裂纹基本呈锯齿状直线扩展,与锻造裂纹开 口较宽、尖端圆钝的特征不相符,结合裂纹源区的两 段式扩展形貌及理化检验结果判断,该 TC6钛合金 安装座存在未完全去除的锻造折叠裂纹,该安装座 在打磨过程中,产生的组织变形覆盖了折叠裂纹,导 致折叠裂纹在前期没有被检查出。在后期加工过程 中,由于零件表面完整性被破坏造成疲劳强度下降, 裂纹源在富氧α相密集的锻造折叠裂纹附近形成并 向内扩展,裂纹扩展至与锻造裂纹相连时变向,折叠 裂纹成 为 新 的 裂 纹 源,继 续 向 内 扩 展,形 成 疲 劳 裂纹[13]。

3 结论及建议

该 TC6钛合金安装座圆弧处的荧光显示为疲 劳裂纹。安装座圆弧表面在人工砂轮打磨时完整性 被破坏,形成了疲劳裂纹源,然后裂纹扩展并与没有 完全去除的锻造折叠裂纹相连接,最终形成了缺陷。 建议 TC6钛合金安装座在精加工前应将锻造 折叠裂纹完全去除,避免留下锻造缺陷;同时,改进 砂轮打磨工艺,提高安装座的表面质量,避免安装座 因表面完整性被破坏而导致力学性能下降。

来源：材料与测试网