史 文，李 巍

(1.寶鈦集團(tuán)實(shí)驗(yàn)中心，陜西 寶雞 721014；2.寶鈦股份鍛造廠，陜西 寶雞721014)

ZTC10鈦合金平衡肘斷裂分析

史 文1，李 巍2

(1.寶鈦集團(tuán)實(shí)驗(yàn)中心，陜西 寶雞 721014；2.寶鈦股份鍛造廠，陜西 寶雞721014)

平衡肘可以將負(fù)重輪上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量沖擊能量傳送給扭力軸，由扭力軸扭轉(zhuǎn)吸收其能量，以減少車(chē)體所受沖擊力。針對(duì)履帶車(chē)輛行進(jìn)中斷裂的平衡肘進(jìn)行斷口宏微觀分析，發(fā)現(xiàn)斷裂處較平坦、顏色深，斷口上有很多細(xì)小的臺(tái)階，且存在一定數(shù)量的卵形晶粒和枝晶組織，擴(kuò)展區(qū)存在疲勞特征，失效模式為疲勞斷裂。借助光學(xué)顯微鏡、維氏硬度計(jì)和氣體分析儀對(duì)斷裂處進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：斷口為典型的焊接組織，存在大量的氣孔，氣孔周?chē)@微硬度較基體明顯升高，O含量也略高，此為焊接工藝不當(dāng)造成。同時(shí)，對(duì)平衡肘構(gòu)件使用時(shí)的受力狀態(tài)、ZTC10鈦合金平衡肘鑄件的石墨型制作、鑄造工藝及熱等靜壓處理工藝進(jìn)行分析，結(jié)果表明：因補(bǔ)焊工藝控制不當(dāng)，焊接區(qū)域大量氣孔的存在是造成該ZTC10鈦合金鑄件斷裂的主要原因。

平衡肘；斷裂源；熱等靜壓；補(bǔ)焊; 硬化層

0 引言

鈦合金鑄件相比其他材料具有密度小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。鈦合金平衡肘鑄件可在較大范圍的溫度變化中承受較大受力工作，其功能是將負(fù)重輪上下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大量沖擊能量傳送給扭力軸，由扭力軸扭轉(zhuǎn)吸收其能量，以減少車(chē)體所受沖擊力[1]。由此可見(jiàn)鈦合金平衡肘鑄件是履帶車(chē)輛運(yùn)動(dòng)部分的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量及可靠性直接影響履帶車(chē)輛的正常安全行駛。

國(guó)內(nèi)外平衡肘零件大多以鋼材鍛造和機(jī)械加工為主，制造過(guò)程導(dǎo)致金屬利用率低，經(jīng)濟(jì)效益差，而鈦合金平衡軸鑄件的開(kāi)發(fā)直接經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品應(yīng)用可大大改善現(xiàn)狀[2]。平衡肘的鈦合金件目前大多為精鍛件，平衡肘零件常常因組織異常或加工缺陷失效。ZTC10鈦合金鑄件作為鈦合金鍛件的替代產(chǎn)品，失效研究多集中在石墨澆筑和熱等靜壓過(guò)程，而對(duì)補(bǔ)焊引起的失效研究較少。

本研究針對(duì)在履帶車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中發(fā)生斷裂的ZTC10平衡肘，通過(guò)體視顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀等儀器對(duì)異常斷裂損壞ZTC10平衡肘進(jìn)行分析，最終確定ZTC10鈦合金平衡肘斷裂原因?？蔀橄?lèi)產(chǎn)品缺陷，優(yōu)化補(bǔ)焊工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，避免此類(lèi)故障的再次發(fā)生，增加履帶車(chē)裝配數(shù)量提供參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 構(gòu)件的斷裂位置及受力分析

圖1為平衡肘及其斷裂位置實(shí)物圖。平衡肘是一個(gè)曲臂軸，一端與平衡肘軸相連，另一端與負(fù)重輪軸相連，該斷裂位置接近負(fù)重軸一側(cè)，如圖1中所示。在履帶車(chē)輛行駛中，由于地面凹凸不平，對(duì)負(fù)重輪產(chǎn)生沖擊力，使負(fù)重輪向上運(yùn)動(dòng)，平衡肘軸帶動(dòng)了扭力軸大端扭轉(zhuǎn)，扭力軸便吸收了大量的沖擊能量，從而使車(chē)體受到的沖擊力減小。當(dāng)沖力消失后，扭轉(zhuǎn)軸又會(huì)將此能量放出，負(fù)重輪又會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，以便吸收新的沖擊。在這一過(guò)程中，平衡肘主要受彎曲扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，履帶車(chē)輛在惡劣條件下行駛發(fā)生的高速撞擊時(shí)，平衡肘所承受的動(dòng)載荷約為靜載荷的8～11倍[3]。可見(jiàn)履帶車(chē)輛平衡肘瞬間承受很大的振動(dòng)和沖擊，所以故障較多，容易損壞。履帶車(chē)輛平衡肘在循環(huán)交變應(yīng)力下，其中表面應(yīng)力最大，中心應(yīng)力最小[4-5]。

圖1 平衡肘及其斷裂位置實(shí)物圖

1.2 斷口觀察分析

采用體視顯微鏡對(duì)失效件進(jìn)行宏觀斷口觀察，其斷口形貌如圖2所示。從圖2中可看出，斷裂源區(qū)附近斷裂特征主要為沿晶斷裂，并且斷口附近比較平坦，顏色較深，斷口源區(qū)附近以外呈放射狀。不難看出，斷裂過(guò)程為裂紋由源區(qū)位置開(kāi)始沿放射纖維方向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致平衡肘斷裂。

圖2 ZTC10平衡肘斷口

采用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀斷口分析，圖3是失效件斷裂源處斷口形貌。從圖3a中可以看到失效件斷裂源區(qū)均存在多條細(xì)小的臺(tái)階條紋，材料是經(jīng)一段時(shí)間使用后疲勞斷裂，并不是瞬時(shí)斷裂的[6-9]。從圖3b中可看到，斷裂源區(qū)斷口上存在一定數(shù)量的卵形晶粒及枝晶組織，為焊縫結(jié)晶斷口形貌。對(duì)圖4卵形晶粒處應(yīng)用能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 斷裂源區(qū)的斷口形貌

ItemTiAlSnVFeCuSample84．06．22．16．10．900．70ReferencevalueRemain5．5～6．51．5～2．55．5～6．50．35～1．00．35～1．00

卵形晶粒處微區(qū)成分與ZTC10牌號(hào)的化學(xué)成分相近。這種卵形晶粒及柱狀枝晶主要是由于材料存在氣孔或疏松造成的，結(jié)晶時(shí)，氣孔或疏松部位晶粒呈自由表面狀態(tài)，球形表面通常能量較低，易形成卵形晶粒。

1.3 構(gòu)件組織分析

對(duì)平衡肘失效件進(jìn)行組織分析。圖4是靠近斷裂源區(qū)未經(jīng)腐蝕所觀察到較大的氣孔。腐蝕后低倍下可見(jiàn)在靠近表面斷裂源區(qū)處存在亮區(qū)(圖5)。對(duì)亮區(qū)進(jìn)行縱向剖切取樣，取樣盡量保證在斷裂源區(qū)附近。

圖4 未腐蝕所觀察到的較大氣孔

圖5 平衡肘斷裂區(qū)域橫向截面形貌

圖6是失效件經(jīng)過(guò)腐蝕后亮區(qū)及基體組織，可以看出，失效件材料亮區(qū)及基體區(qū)組織上有較大的差別。亮區(qū)為典型的焊接組織，該區(qū)域分布有大量氣孔，靠近斷裂源區(qū)位置氣孔較為密集。大量氣孔的存在是該ZTC10鈦合金鑄件斷裂的主要原因。

圖6 平衡肘金相組織

1.4 化學(xué)成分分析及顯微硬度檢測(cè)

對(duì)所取失效件亮區(qū)與基體利用顯微維氏硬度計(jì)與氣體分析儀進(jìn)行顯微硬度測(cè)試和H含量與O含量的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 失效件亮區(qū)與基體顯微硬度及H、O含量對(duì)比

從表2中可以看出，ZTC10平衡肘亮區(qū)的顯微硬度較基體區(qū)顯微硬度高。失效件的表面亮區(qū)O含量比基體區(qū)略高。這就說(shuō)明了亮區(qū)的焊接部分較基體有一定的硬化現(xiàn)象。

2 分析與討論

分析斷裂的ZTC10鑄件產(chǎn)品的制造工藝，主要經(jīng)過(guò)石墨制模、熔煉澆筑、熱等靜壓、補(bǔ)焊等工序。

鑄件經(jīng)熱等靜壓處理后，鑄件大量的氣孔、疏松缺陷會(huì)被壓合，組織更加致密，但是鈦合金鑄件中體積較大的氣孔、縮孔有時(shí)難以被熱等靜壓壓合，從而形成片條狀缺陷，它們的尖銳邊緣有可能是應(yīng)力集中的地方，將會(huì)成為鑄件產(chǎn)生裂紋的危險(xiǎn)區(qū)，因此應(yīng)在熱等靜壓前，通過(guò)一定檢驗(yàn)手段，排除體積較大的氣孔。并且熱等靜壓一般只能排除材料內(nèi)部氣孔和不通表面的皮下氣孔，表面氣孔只能采用打磨、補(bǔ)焊消除。

補(bǔ)焊是修補(bǔ)鈦合金鑄件、減少與清除各種缺陷的重要方法，大部分鈦合金鑄件都在保護(hù)氣氛的焊箱中進(jìn)行氬弧補(bǔ)焊，并且在補(bǔ)焊時(shí)防止鑄件氧化，一般箱體抽真空后，應(yīng)充一次氬氣進(jìn)行洗爐，然后再抽一次真空，最后充至一個(gè)大氣壓才能實(shí)施補(bǔ)焊，這樣才能保證焊接的質(zhì)量，這種工藝簡(jiǎn)單、成本較低，但該工藝人為影響因素太大，因此，不適合比較重要的精密鑄件[10-11]。

此ZTC10鈦合金平衡肘失效件斷裂源區(qū)存在大量氣孔。根據(jù)圖3斷口形貌與圖6a斷裂源區(qū)組織形態(tài)判斷，斷裂源區(qū)為典型的焊接組織。補(bǔ)焊是造成該亮區(qū)的最可能因素。為驗(yàn)證這一可能因素，截取失效件，人為的制造一個(gè)孔洞，然后采用氬氣保護(hù)下氬弧焊補(bǔ)焊。補(bǔ)焊后沿垂直補(bǔ)焊的表面進(jìn)行取樣，經(jīng)機(jī)械拋光、腐蝕后觀察組織如圖7所示。低倍下觀察可以看出，經(jīng)補(bǔ)焊后，試樣的補(bǔ)焊區(qū)域及熱影響區(qū)都比基體區(qū)的組織亮。高倍觀察可見(jiàn)，補(bǔ)焊后熔合區(qū)存在很多的氣孔，并且氣孔多數(shù)也是呈線性分布的。與圖6a中近斷裂源處的組織很是相近。熱影響區(qū)存在少量的氣孔，基體區(qū)不存在氣孔。

圖7 補(bǔ)焊后低倍組織圖

因此，造成ZTC10鈦合金平衡肘斷裂的最主要因素是補(bǔ)焊工藝過(guò)程中鑄件表面和焊絲處理不干凈，存在污物，以及操作不當(dāng)造成。

3 結(jié)論

1)ZTC10鈦合金平衡肘鑄件斷裂是由于補(bǔ)焊工藝控制不當(dāng)，焊接區(qū)域大量氣孔的存在導(dǎo)致了該ZTC10鈦合金鑄件斷裂。

2)平衡肘在斷裂源處氣孔較大，且接近表面，該處在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終作為疲勞裂紋源引起該材料的疲勞斷裂。

3)為減少近表面的氣孔缺陷，應(yīng)優(yōu)化補(bǔ)焊工藝操作，以改善產(chǎn)品質(zhì)量，減少損失。

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Fracture Failure Analysis of ZTC10 Titanium Alloy Balance Elbow

SHI Wen1，LI Wei2

(1.BAOTiTestCenter，ShaanxiBaoji721014,China; 2.BaojiTitaniumIndustryForgingfactory，ShaanxiBaoji721014,China)

The balance elbow of ZTC10 titanium alloy in a vehicle fractured during service. Macro observation on fracture surface was carried out. The fracture is flat, with dim color; there are many small steps and lots of oval grains and dendritic structure on fracture. The propagation region presented fatigue characteristics, meaning the failure mode is fatigue fracture. The fracture was further analyzed with an optical microscope, a vickers hardness tester and a gas analyzer. It is shown that the fracture was typical welding structure; there were many air holes; around the holes, the micro-hardness was obviously higher and O content was also slightly higher than that of the normal zone. The stress state of the balance elbow, graphite production, casting and hot isostatic pressing process were analyzed. It can be concluded that due to the improper repair welding process control, there were a number of pores at the welding area, which was the main cause of the fracture of the ZTC10 titanium alloy castings.

balance cubits; fracture source; hot isostatic pressing; repair welding; hardened layer

2016年7月17日

2016年9月17日

史文(1977年-)，男，工程師，主要從事鈦合金金相檢測(cè)及失效分析等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.007

1673-6214(2016)05-0300-04