王燕禮，許光群，符 彬，曹 強

(1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000)(2.陸軍裝甲兵學院，北京 100072)

0 引 言

TA15鈦合金是一種中強近α型鈦合金，常在退火狀態(tài)下使用，長期工作溫度可達500 ℃，具有中等室溫強度和高溫強度、良好的熱穩(wěn)定性和可焊接性，但工藝塑性稍低于TC4鈦合金[1]。該合金與廣泛使用的TC4鈦合金相比，當工作溫度提高到450～500 ℃時，強度高出100～150 MPa，優(yōu)勢明顯，因此TA15鈦合金被廣泛用于制造飛行器的主承力框、大型整體壁板、接頭、蒙皮及焊接承力部件。而這些部件中常存在大量的孔結構用于結構件連接，在疲勞載荷下，連接孔因為孔邊應力集中和孔邊表面積增大，極容易在孔邊和孔壁萌生疲勞裂紋，甚至發(fā)生早期疲勞斷裂，影響飛行器的結構完整性和航空安全性。

孔擠壓是目前國際上應用最為廣泛的連接孔強化手段，在工藝控制良好情況下，可將緊固孔疲勞壽命提高3倍以上[2-4]。其原理是將一個直徑大于孔徑、硬度高于連接孔材料的芯棒或圓球擠過連接孔，迫使孔壁材料發(fā)生彈塑性變形，在孔壁引入大深度高幅值可控殘余壓應力層，改善孔結構在外載荷作用下的孔邊局部應力分布狀態(tài)和孔壁附近材料的微觀組織結構，大幅提高連接孔的疲勞強度、抗應力腐蝕和抗腐蝕疲勞性能[5]。

在飛行器制造和維修中使用孔擠壓強化技術，具有以下作用：恢復或提高已損傷孔結構和新制孔結構疲勞強度，提高飛行器結構安全性和可靠性；減少補強件使用，達到飛行器減重的目的；大幅提高孔結構疲勞強度和疲勞壽命，降低后期維修成本；提高孔結構疲勞強度的同時不需要改變原始設計結構，不需要改變原結構使用材料，不需要增加結構尺寸。另外，值得關注的是，因為孔擠壓強化對提高孔結構疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴展壽命都有好處，尤其是能夠大幅提高疲勞裂紋擴展壽命，因此其受益是雙方面的，即一方面可提高構件的抗疲勞性能，另一方面可增大構件的可檢測裂紋尺寸，從而當裂紋還不足以使構件發(fā)生斷裂而造成飛行事故時，便可以通過簡單的裂紋檢測技術檢測到。基于以上優(yōu)勢，孔擠壓技術已被廣泛應用于機翼和機身之間連接孔、機翼下表面螺栓孔等飛機關鍵承力構件連接孔的強化處理?？梢灶A見，孔擠壓在未來仍將會是應用非常廣泛的一種重要的連接孔抗疲勞強化技術。

有多篇文獻[6-12]報道了2024、2B06、6061、7B04、7055、7A85、TC4、300M、30CrMnSiNi2A、A100等多種航空常用鈦合金、鋁合金和高強度合金鋼材料的孔擠壓疲勞增益評價和孔擠壓工藝優(yōu)化研究，以及擠壓孔疲勞壽命預測研究。從這些已發(fā)表文獻來看，研究主要集中在擠壓量參數(shù)優(yōu)化上，而對于終鉸參量和襯套放置角度的影響卻鮮有報道。實際上對于開縫襯套擠壓(Split sleeve cold expansion, SSCX)技術來講，因為要去除襯套遺留在孔壁的材料凸脊，擠壓后鉸孔是必不可少的工序，而鉸孔去除材料勢必會改變擠壓后孔壁材料的彈塑性狀態(tài)，進而影響殘余應力和組織結構，這一定會對擠壓疲勞增益造成影響。襯套開縫這種不連續(xù)的結構對擠壓孔壁殘余應力場和擠壓疲勞增益的影響也需要評估，以完整對開縫襯套擠壓技術的認知。楊洪源等[13]研究了應力水平對TA15孔結構疲勞增益的影響，但是目前為止，關于相對擠壓量、終鉸參量以及襯套放置特征對TA15孔結構擠壓疲勞增益的影響尚未見報道。

本研究采用對比疲勞試驗方法，研究相對擠壓量、終鉸參量、襯套開縫放置角度等工藝參數(shù)對開縫襯套擠壓TA15鈦合金連接孔疲勞增益的影響，對于制定TA15孔結構開縫襯套擠壓工藝具有工程指導意義。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為寶雞鈦業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的35 mm厚退火態(tài)TA15鈦合金板材，其化學成分(質量分數(shù)，%)為：C 0.006 9，Si 0.066，O 0.071，F(xiàn)e 0.034，V 2.3，Al 6.7，Mo 1.7，Zr 2.3，余量為Ti。板材的室溫抗拉強度為985 MPa，屈服強度為915 MPa。

1.2 試樣設計

按照HB 5287—1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》和HB-Z170—2005《航空金屬零件孔擠壓強化工藝》標準要求，模擬某型飛機實際結構，設計含φ10.00H9中心圓孔的板狀軸向拉伸疲勞試樣，如圖1所示。

圖1 疲勞試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of fatigue sample

1.3 試樣處理

A組：采用φ10.505 mm鉸刀將φ10.00H9孔鉸至φ10.50H9，模擬傳統(tǒng)的鉆-擴-鉸制孔工藝，處理試樣編號為1#～4#。

B組：采用φ10.105 mm鉸刀初鉸φ10.00H9，用特定擠壓芯棒擠壓，再用φ10.750 mm鉸刀進行終鉸處理，模擬第1種孔擠壓工藝，處理試樣編號為5#～6#。

C組：采用φ10.05 mm鉸刀初鉸φ10.00H9孔后，用特定擠壓芯棒擠壓，再用φ10.750 mm鉸刀進行終鉸處理，模擬第2種孔擠壓工藝，處理試樣編號為7#～8#。

D組：采用φ10.05 mm鉸刀初鉸φ10.00H9孔后，用特定擠壓芯棒擠壓，再用φ10.40、φ10.405、φ10.45、φ10.475、φ10.505 mm鉸刀依次進行鉸削處理，模擬第3種孔擠壓工藝，處理試樣編號為9#～10#。

E組：采用φ10.04 mm鉸刀初鉸φ10.00H9孔后，用特定擠壓芯棒擠壓，再用φ10.40、φ10.405、φ10.45、φ10.475、φ10.505 mm鉸刀依次進行鉸削處理，且擠壓時襯套開縫平行于孔結構最窄截面處(即疲勞危險區(qū))放置，模擬第4種孔擠壓工藝，處理試樣編號為11#～13#。

F組：擠壓時除襯套開縫與孔結構最窄截面呈90°放置(非疲勞危險區(qū))外，其他工藝條件與E組相同，模擬第5種孔擠壓工藝，處理試樣編號為14#～17#。以上所有試樣在擠壓強化后孔邊均不倒角，以模擬飛機實際某疊層結構中受工具可達性限制孔邊無法實現(xiàn)倒角的工況；B、C、D組試樣擠壓時襯套開縫與孔結構最窄截面呈90°放置；每個孔徑測量4次，取平均值作為孔徑實際尺寸。實驗中使用開縫襯套擠壓芯棒工作段直徑(D)為9.80 mm，開縫襯套厚度(t)為0.40 mm。

實驗中發(fā)現(xiàn)，所有擠壓孔在使用φ10.40 mm鉸刀鉸削后，即可去除開縫襯套擠壓遺留在孔壁的軸向材料凸脊。

表1列出了A～F組不同工藝處理條件下，孔結構的孔徑變化情況、相對擠壓量以及終鉸參量。

1.4 疲勞試驗

在室溫下，采用MTS810電子液壓伺服疲勞試驗機開展恒幅拉-拉疲勞試驗，試驗參數(shù)：Fmax=400 MPa，R=0.1，f=10 Hz。

2 結果與討論

2.1 疲勞壽命

表2記錄了A～F組試樣的疲勞壽命及斷裂位置。

表1 A～F組試樣孔徑尺寸變化和開縫襯套擠壓工藝參數(shù)

Table 1 Change of hole diameters and SSCX parameters of A～F sample

表2不同工藝處理后試樣的疲勞壽命(Cycle)及斷裂位置

Table 2 Fatigue life and fracture location of samples treated by different processes

從表2可以看到，經(jīng)過開縫襯套擠壓強化的試樣，孔結構疲勞壽命有明顯的延長，至少延長4倍以上。在F工藝條件下，疲勞壽命延長了9.5倍。此外，還注意到，所有未擠壓強化試樣均在孔結構處斷裂，而擠壓強化試樣出現(xiàn)了在過渡圓弧處斷裂的個例，結合疲勞壽命測量結果，可以斷定，擠壓強化確實提高了孔結構疲勞強度。

2.2 開縫襯套擠壓效果

實驗中，A、D、E、F組試樣的終孔徑相同，所不同的是A組試樣采用傳統(tǒng)鉆-擴-鉸方法制孔，D、E、F組試樣采用鉆-擴-鉸-擠壓強化-鉸方法制孔。顯然，擠壓強化后，孔結構的疲勞壽命有明顯提升，這表明開縫襯套擠壓可以有效提高TA15孔結構的疲勞強度和抗疲勞特性。同時，又因為D、E、F擠壓工藝不完全相同，其疲勞壽命表現(xiàn)出明顯的差異性，這說明擠壓工藝對疲勞增益有很大的影響。

2.3 擠壓量影響分析

實驗中，B組和C組試樣相對擠壓量不同，分別為4.95%和5.45%，其他工藝條件則完全相同，但是，疲勞壽命卻相差較大，分別為150 216周次和341 222周次。這表明擠壓量越大，疲勞增益越大。另外，雖然B組和C組試樣的相對擠壓量僅相差0.5%，但疲勞增益卻相差了5倍(均為相對于A組試樣疲勞壽命的疲勞增益)。D、E、F組試樣，同樣是除相對擠壓量不同外，其他工藝條件完全相同，例如D組試樣的相對擠壓量為5.45%，E和F組試樣的相對擠壓量為5.56%，D與E、F的相對擠壓量僅差0.11%，同樣出現(xiàn)了疲勞壽命相差較大的現(xiàn)象，孔結構的疲勞壽命分別為248 532、307 133、384 024周次，疲勞增益差達到了1.6～3.7倍。

通常來講，擠壓量越大，開縫襯套擠壓后孔壁殘余壓應力峰值會越高，殘余壓應力區(qū)域會越深，且擠壓強化疲勞增益和疲勞增益穩(wěn)定性越大，該特征與D、F組試樣疲勞壽命更長、疲勞壽命穩(wěn)定性更好的現(xiàn)象是吻合的。本研究還說明，在處理TA15孔結構時，當擠壓芯棒確定后，孔初始結構加工精度和尺寸穩(wěn)定性非常重要，擠壓量越大可獲得相對更大的疲勞增益，而且特別需要注意的是，微小的相對擠壓量波動會導致疲勞增益的顯著波動。

2.4 終鉸參量影響分析

實驗中，C和D組樣品除了終鉸參量分別為單邊鉸削0.190 mm和0.065 mm不同外，其他條件均相同，但疲勞壽命出現(xiàn)明顯區(qū)別，分別為341 222和248 532周次，小鉸削量較大鉸削量的疲勞壽命降低了約100 000周次。以A組試樣疲勞壽命為歸一化基數(shù)，則0.190 mm和0.065 mm單邊終鉸削量的疲勞增益分別為9.41倍和6.85倍，大鉸削量條件下疲勞增益反而更大。

文獻[13]指出，終鉸削去除擠壓強化孔壁材料會減小孔壁殘余壓應力，從而削弱孔擠壓疲勞增益，且終鉸削量參數(shù)與殘余壓應力呈線性或近似線性遞減關系，即鉸削量越大，孔擠壓殘余壓應力越小，相應的疲勞增益損失越大。文獻[14]認為，一般孔擠壓后，在其鉸削量與初孔直徑比小于10%時，鉸削對擠壓疲勞壽命無明顯影響。但是，本實驗結果表明，在文中所述工藝條件下，并沒有出現(xiàn)文獻中的預期結果，反而是在鉸削量為0.065 mm(孔初始直徑的0.6%)時的疲勞壽命比鉸削量為0.190 mm(孔初始直徑的1.9%)時的還小。分析認為這是因為鉸削過程本身也會造成孔壁表面材料發(fā)生彈塑性變形，在擠壓工藝產(chǎn)生的孔壁材料彈塑性變形層的疊加作用下，孔壁殘余應力特別是孔壁表層殘余應力的行為非常復雜，終鉸參量與疲勞壽命增益并不是線性或近似線性遞減關系，而有可能存在一個極值，當鉸削量小于或大于該極值時，疲勞增益均不是最佳的，如圖2所示(圖中r表示孔半徑)。這表明，終鉸削量是一個需要試驗優(yōu)化研究的參量，在優(yōu)化擠壓強化工藝中，不可以忽視。特別是在開縫襯套擠壓工藝中，要消除擠壓中襯套開縫在孔壁遺留下的材料凸脊，終鉸削過程必不可少。

圖2 終鉸參量對鈦合金疲勞壽命增益的影響示意圖Fig.2 Relation of final reaming value and fatigue gain for titanium alloy

2.5 襯套放置影響分析

實驗中，E組和F組試樣孔擠壓處理過程相同，唯一區(qū)別在于E組試樣擠壓時襯套開縫與孔最窄截面平行放置(即疲勞危險區(qū))，F(xiàn)組試樣擠壓時襯套開縫與孔最窄截面呈90°放置(即避開了孔疲勞危險區(qū))，結果表明E組的平均疲勞壽命為307 133周次，而F組為384 024周次，相差76 891周次(分別是E組和F組疲勞壽命的25%和20%)，這說明襯套放置角度會影響孔擠壓疲勞增益，即在文中所述實驗條件下，將襯套開縫放置在孔結構的疲勞危險區(qū)，會降低擠壓疲勞增益。

據(jù)文獻[15]報道，擠壓過程中，襯套開縫張開對孔壁材料會形成“切割”效應，從而可能在凸脊根部形成微裂紋，在開縫對應孔壁區(qū)域引入殘余拉應力，因此，如果擠壓時襯套開縫放置在孔結構疲勞危險區(qū)，擠壓強化效應會降低，甚至起到反作用，降低孔結構疲勞壽命。理論上講終鉸孔工藝應該可以完全去除襯套開縫“切割”效應可能在“凸脊”根部遺留的微裂紋，本研究也沒有觀察到“凸脊”根部產(chǎn)生微裂紋。研究還發(fā)現(xiàn)，所有擠壓孔在用φ10.40 mm鉸刀鉸削后即可去除開縫襯套擠壓遺留在孔壁的軸向材料凸脊，按照擠壓后最小孔徑φ10.37 mm計算，高度不足0.015 mm的凸脊是很小的，如使用φ10.50 mm鉸刀鉸削后，凸脊處材料鉸削量達到了0.065 mm，可完全去除凸脊根部可能存在的微裂紋，因此微裂紋影響疲勞增益的因素可以排除。文獻[7]研究發(fā)現(xiàn)，擠壓后襯套開縫對應孔壁區(qū)域仍然是壓應力，但壓應力值有波動且較小，開縫對徑向殘余應力影響巨大。文獻[16]專門通過有限元計算了開縫襯套擠壓工藝并分析了開縫對殘余應力的影響，發(fā)現(xiàn)襯套開縫對應孔壁截面的殘余壓應力較其他區(qū)域整體要低，孔壁中間厚度位置的殘余壓應力峰值較其他位置稍低，這意味著若擠壓時襯套開縫與孔疲勞危險截面平行放置，該殘余應力會在一定程度上削弱該區(qū)域材料的抗疲勞裂紋擴展能力(相對開縫與孔疲勞危險截面呈90°放置來講)，會使疲勞擴展壽命有所降低，從而降低開縫襯套擠壓的孔結構疲勞增益。該研究結果與本研究結果一致，說明是由于殘余壓應力的減小而影響了擠壓疲勞增益。同時可以進一步說明，在開縫襯套擠壓強化工程應用中，襯套開縫即使不嚴格按照FTI (Fatigue Technology Inc.) 和WCI (West Coast Inc.) 公司規(guī)定的要與疲勞危險截面呈90°放置的要求，甚至開縫與疲勞危險截面平行放置，擠壓強化后仍然會有明顯的疲勞增益，但是確實會因為開縫對應孔壁區(qū)域殘余壓縮應力幅值相對較小，而降低該技術原本可以獲得的更高的疲勞增益。

3 結 論

(1)開縫襯套擠壓可有效提高TA15孔結構疲勞壽命，且較大的相對擠壓量可獲得更高的擠壓疲勞增益，考慮到過大的相對擠壓量可能會在孔壁引入擠壓微裂紋，因此擠壓量選擇為5.5%較好。

(2)TA15鈦合金對相對擠壓量參數(shù)敏感，微小的相對擠壓量波動會導致疲勞增益的顯著波動，這要求嚴格控制初孔的加工精度。

(3)開縫襯套擠壓后需鉸削去除襯套開縫遺留在孔壁的材料凸脊，受擠壓和鉸削彈塑性變形的疊加作用，鉸削量并非越小越好，而是可能存在一個鉸削參量極值。實際鉸削量需要進行工藝優(yōu)化研究確定。對于TA15孔結構，擠壓后單邊終鉸參量選擇為0.190 mm較為合適。

(4)襯套開縫平行于孔結構疲勞危險截面放置實施開縫襯套擠壓，會降低孔擠壓疲勞增益，但仍然可以顯著提高孔結構疲勞壽命，在開縫襯套孔擠壓工藝應用中放置開縫襯套時，最好使其開縫遠離孔結構疲勞危險截面，這樣可以獲得更好的擠壓強化疲勞增益。

2019年1—6月中國鈦、鋯產(chǎn)品進出口統(tǒng)計

來源：海關信息網(wǎng)