苗迪迪 鄭達 鄭侃 薛楓

摘要：針對航空鈦合金零件在加工過程中存在的抗疲勞性能不足等問題，提出了通過旋轉超聲銑削技術改善表面殘余應力，從而提高鈦合金抗疲勞性能。重點開展了旋轉超聲銑削鈦合金殘余應力以及疲勞壽命試驗研究，并且通過掃描電鏡對鈦合金疲勞斷口進行了觀察。研究結果表明，與普通銑削相比，旋轉超聲銑削后鈦合金表面殘余壓應力顯著提高，疲勞試驗結果表明旋轉超聲銑削最大可提高鈦合金疲勞壽命25%。經疲勞斷口觀察，旋轉超聲銑削減少了裂紋源，降低了疲勞條紋寬度，有效地抑制了疲勞裂紋擴展。

關鍵詞：TC4鈦合金；旋轉超聲銑削；殘余應力；疲勞壽命；疲勞斷口

中圖分類號：V261.2+3文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.06.012

基金項目：航空科學基金（20171659001）

鈦合金由于具有比強度高、抗腐蝕能力強以及優(yōu)異的熱處理性能而在航空航天制造業(yè)中廣泛應用[1-2]。由于在服役過程中承受熱載荷、氣動載荷以及其他交變載荷的作用，疲勞是引起這類合金零部件失效的主要原因。統(tǒng)計表明，90%的航空鈦合金結構件的失效與疲勞相關[3]。隨著飛機在苛刻服役環(huán)境下對壽命要求的不斷提高，零件的抗疲勞性能已成為衡量航空產品使用和安全性能的核心指標。

李玉蓮[4]基于試驗，通過優(yōu)化結構尺寸，降低結構的附加彎曲應力和應力集中系數，來提高飛機結構疲勞壽命。而從加工工藝方面考慮，已加工零件的表面殘余應力作為衡量表面加工質量的一個重要指標，對加工件的疲勞性能有極其重要的影響，殘余壓應力的分布情況可以部分抵消外加載荷，降低疲勞裂紋擴展速率，在一定程度上會提高航空零件的抗疲勞性能[5]。在此背景下，熱處理表面改性、激光加工以及噴丸、滾壓等抗疲勞制造技術在航空制造企業(yè)得到了廣泛應用。外國學者Lindemann[6]等研究了噴丸對γ-TiAl合金的疲勞性能的影響，研究結果認為鈦合金疲勞壽命的提高歸因于噴丸層殘余壓應力的引入。Y. Fouad[7]等對比研究了噴丸和滾壓對高強度ZK60鎂合金高周疲勞性能的影響，試驗研究發(fā)現(xiàn)噴丸和滾壓后疲勞極限分別提高17%和33%。然而，上述方法均是在機械加工完成后通過二次工藝來改善零件表面的殘余應力，不僅增加了零件的研制周期，還提高了生產成本。

目前，旋轉超聲加工技術由于其較優(yōu)的加工表面完整性被廣泛應用于鈦合金等航空材料的加工。Roy[8]等闡述了超聲振動輔助銑削與傳統(tǒng)銑削加工技術在鈦合金加工上的區(qū)別，并通過試驗證實了該技術在加工鈦合金時所取得的優(yōu)勢。王明海[9]等研究了進給方向超聲振動輔助銑削對銑削力的影響，結果表明，施加超聲振動后銑削力明顯減小，當超聲頻率超過40kHz時，工件與刀具之間的摩擦力對平均銑削力的影響較為顯著。童景琳[10]等開展了超聲縱-扭復合銑削鈦合金刀具磨損研究。超聲縱-扭復合加工從旋轉方向內實現(xiàn)了刀-屑分離，在銑削過程中，極大地減少了刀具后刀面對已加工表面的沖擊，刀具后刀面磨損減小，工件表面粗糙度降低，從而使得刀具壽命有所延長?，F(xiàn)有文獻關于旋轉超聲銑削鈦合金的研究主要集中在切削力、切削溫度以及刀具磨損等方面。有關旋轉超聲銑削鈦合金殘余應力以及疲勞壽命的研究鮮有報道。

因此本文重點開展旋轉超聲銑削鈦合金殘余應力和疲勞壽命試驗，旨在闡明超聲加工對鈦合金表面殘余應力及疲勞性能的影響，為推動旋轉超聲銑削技術在航空先進制造領域的應用提供理論技術支撐。

1試驗材料與方法

試驗所用材料為TC4鈦合金，屬于（α+β）型鈦合金，比強度大，具有良好的力學性能，其在室溫和高溫下力學性能見表1。在同一塊坯料上用電火花線切割加工出試件，具體尺寸如圖1所示，零件試樣厚度為4mm。

本次銑削試驗在MCV-L850加工中心上進行。超聲裝置采用的是SY-2000G旋轉超聲加工系統(tǒng)，采用同一批號的硬質合金刀具分別在普通銑削和旋轉超聲銑削兩種方式下進行銑削試驗，試驗加工參數見表2。超聲電流與超聲振幅成正相關，利用超聲電流可說明超聲振幅對鈦合金殘余應力及疲勞壽命的影響規(guī)律。

殘余應力試驗將在X-350A型X射線衍射儀上對鈦合金工件的殘余應力進行測試。相關參數設置如下：靶材選擇Cu靶，衍射晶面（213），應力常數-277MPa，電壓20kV，電流50mA，掃描步距為0.1°，入射角選用0°，15°，30°，45°。2θ掃描范圍為147°～137°。X射線衍射測量原理為：殘余應力能夠改變晶面間距，用X射線照射工件表面會發(fā)生布拉格衍射，當存在殘余應力時，產生的衍射峰將會移動，而且移動距離與殘余應力大小相關，可據此來計算殘余應力的大小。

疲勞壽命試驗按照《金屬薄板（帶）軸向力控制疲勞試驗方法》進行設計，試件尺寸如圖1所示，試件加工后的厚度統(tǒng)一為3mm。采用應力控制循環(huán)疲勞方式試驗，加載最大載荷630MPa，以正弦波形式進行循環(huán)加載，加載頻率f =20Hz，應力比R=0.1。

2結果與討論

2.1殘余應力試驗

已加工表面的殘余應力分為拉應力及壓應力，殘余拉應力會使得表面微裂紋擴展加快，降低工件的疲勞壽命。而殘余壓應力則在一定程度上會提高零件的抗疲勞性能。

旋轉超聲銑削對鈦合金表面殘余應力的影響規(guī)律，如圖2所示。由圖可見，無論是普通銑削還是旋轉超聲銑削TC4鈦合金在銑削加工后表面均呈現(xiàn)壓應力，但是，旋轉超聲銑削明顯可以增大鈦合金表面殘余壓應力，且隨著超聲電流的增大殘余壓應力呈遞增趨勢。這說明超聲振動的高頻沖擊作用可以增大鈦合金表面殘余壓應力，而且，超聲電流越大，殘余壓應力越大。同時旋轉超聲加工中刀具和工件的周期性分離特性使得超聲加工具有了斷屑功能，從而達到更好的散熱效果，增大電流，振幅增大，旋轉超聲加工的分離特性更加顯著，使得在切削過程中刀具熨壓加工表面，導致加工表面的殘余壓應力值增大。

2.2疲勞壽命試驗

為進一步驗證旋轉超聲銑削對工件疲勞壽命的改善作用，對兩種加工方法下的標準試樣開展了拉-拉疲勞壽命試驗。疲勞試驗在W+B疲勞試驗機（見圖3）上進行，分別對普通銑削和旋轉超聲銑削鈦合金進行相同應力水平下的疲勞壽命試驗，繼而分析超聲對疲勞壽命的影響。

圖4為超聲電流對TC4鈦合金疲勞壽命影響曲線，電流為0的為普通銑削。試驗結果表明，在相同加工參數、相同應力幅值下，旋轉超聲銑削后鈦合金疲勞壽命顯著提高。超聲電流為50mA時，疲勞壽命相對普通銑削提高了15%，而當電流為150mA時，疲勞壽命提高25%。從圖中可以看出，隨著超聲電流的增加，疲勞壽命呈遞增趨勢。這與上述殘余應力結果相對應，有力地說明殘余壓應力的提高能夠改善疲勞壽命。

2.3疲勞斷口分析

為觀察疲勞斷口形貌，將疲勞斷裂后的試件用線切割切下一小段斷口，然后用超聲清洗儀清洗斷口表面油污等污漬，最后擦干密封保存。本試驗采用SU3500型掃描電鏡對斷口觀察，比較分析疲勞斷裂后的斷口形貌特征有何不同，研究超聲加工對疲勞裂紋萌生、擴展等的影響。主要對旋轉超聲銑削與普通銑削鈦合金疲勞試樣在相同應力幅循環(huán)載荷下的斷口特征進行比較研究。試驗選取無超聲和超聲電流為150mA兩組疲勞試樣進行斷口掃描電鏡觀察。

圖5為鈦合金疲勞斷口典型的宏觀形貌，可清晰觀察出疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。從圖5可以看出，無論是超聲銑削還是普通銑削，鈦合金疲勞斷口均有多個疲勞源。可以從兩方面原因解釋這一現(xiàn)象：首先是由于疲勞試驗高應力導致的；其次是因為鈦合金表面并不光滑平整，會產生應力集中促使裂紋萌生。但從圖中可明顯看出超聲加工后的疲勞斷口裂紋源要少于普通銑削加工。這說明刀具的高頻振動沖擊產生的硬化層和殘余壓應力抑制了疲勞裂紋的開裂，這也解釋了超聲加工后疲勞壽命提高的原因。

疲勞條紋是金屬疲勞斷裂最具代表性的形貌特征，廣泛應用于分析疲勞斷裂相關機理。從圖6看出，疲勞條紋由若干近似平行的條帶組成，疲勞條紋的方向垂直于裂紋的擴展方向。疲勞條紋的粗細以及數目可以作為定量分析疲勞斷口的依據，疲勞條紋的數目常用來表示應力循環(huán)的次數，疲勞條紋的粗細則反映出裂紋擴展速率的快慢。在試樣斷口的擴展區(qū)，首先，從宏觀上來看（見圖5），旋轉超聲銑削后的斷口裂紋擴展區(qū)域面積更大，這說明超聲振動的引入使得材料強度有一定的提高，裂紋擴展能力降低。其次，從微觀上來看（見圖6），超聲銑削后的疲勞條紋更細，這表明在裂紋擴展過程中，超聲銑削降低了裂紋的擴展速率，進而提高了疲勞壽命。這是因為超聲振動的高頻熨壓效應引入了較大的殘余壓應力，而殘余壓應力能夠降低裂紋擴展速率，甚至抑制裂紋擴展。因此，旋轉超聲銑削后的試樣其微觀斷口形貌疲勞條紋更細，降低了裂紋擴展的速率，因此抗疲勞性能得到提高。

疲勞裂紋擴展到臨界尺寸后將會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而形成瞬斷區(qū)。圖7為疲勞瞬斷區(qū)形貌，普通銑削和旋轉超聲銑削均可以發(fā)現(xiàn)大量的顯微微坑，稱之為韌窩，韌窩尺寸大小不一，韌窩大小與加載載荷和加載頻率有關，韌窩是金屬塑性斷裂的主要微觀特征。

3結論

本文開展了鈦合金殘余應力和疲勞壽命試驗研究，主要對比了普通銑削和旋轉超聲銑削兩種加工方式的差異，闡明了超聲加工提高鈦合金抗疲勞性能的機理，主要結論如下：

（1）旋轉超聲銑削與普通銑削相比，加工表面的殘余壓應力值顯著提高，且隨著超聲電流的增大，殘余壓應力呈現(xiàn)遞增趨勢。

（2）旋轉超聲銑削能夠提高鈦合金疲勞壽命，而且疲勞壽命隨超聲電流的增加呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，疲勞壽命最大可提高25%。

（3）無論是旋轉超聲銑削加工還是普通銑削加工，鈦合金疲勞斷口均為多源疲勞，但是超聲加工后的疲勞斷口裂紋源要少于普通銑削加工；超聲加工產生的表面殘余壓應力層可有效地抑制疲勞裂紋的萌生和擴展，降低裂紋的擴展速率，進而提高了疲勞壽命。

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（責任編輯王為）

作者簡介

苗迪迪（1996-）男，碩士。主要研究方向：旋轉超聲加工技術。

Tel：18323241683E-mail：18323241683@163.com

鄭侃（1983-）男，博士，副教授。主要研究方向：旋轉超聲加工技術。

Tel：13655194980E-mail：zhengkan@njust.edu.cn

Experimental Study on Residual Stress and Fatigue of Titanium Alloy by Rotary Ultrasonic Milling

Miao Didi1，Zheng Da2，Zheng Kan1，*，Xue Feng1

1. Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China 2. AVIC Shenyang Aircraft Design Institute，Shenyang 110035，China

Abstract： Regarding the problem of aero titanium alloy parts lacking fatigue resistance in the process of machining， it is proposed to improve the surface residual stress by rotary ultrasonic milling in order to improve the fatigue resistance performance of aviation titanium alloy materials. Experiments were carried out to study the residual stress and fatigue life of titanium alloy during rotary ultrasonic milling， with the fatigue crack observed through SEM. Results shows that， compared with conventional milling， the surface residual compressive stress of titanium alloy significantly increases after rotary ultrasonic machining. Fatigue experiment shows that the fatigue life of titanium alloy can be extended by 25% maximally during rotary ultrasonic machining. Through fatigue crack observation， its found that ultrasonic machining reduces the number of crack initiations and the width of fatigue stripe， thus effectively inhibiting fatigue crack growth.

Key Words： TC4 titanium alloy； rotary ultrasonic milling； residual stress； fatigue life； fatigue fracture