馮抗屯，翟甲友，楊 凱，張平則，高 頔

(1.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410200；2. 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南京 210016)

0 引 言

TC18鈦合金是一種高強(qiáng)高韌準(zhǔn)α+β鈦合金，其耐腐蝕性能好、成型能力強(qiáng)、退火狀態(tài)下強(qiáng)度高，適用于制備航空主承力結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)起落架支柱、扭力臂及支架等零件[1]。疲勞是航空鈦合金零件的主要失效形式之一，約占總失效形式的70%，提高材料的抗疲勞性能是降低零件失效風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。研究表明，噴丸強(qiáng)化作為工業(yè)生產(chǎn)中最為常用的表面強(qiáng)化工藝之一，能夠有效提高材料的疲勞壽命[2-6]。何少杰等[7]發(fā)現(xiàn)材料表層的殘余應(yīng)力對(duì)零件的疲勞壽命具有較大影響，殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致材料疲勞斷裂的重要因素之一。而噴丸強(qiáng)化產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力能夠抑制裂紋擴(kuò)展，在一定程度上提高零件的疲勞壽命[8-9]。BANDAR等[10]研究發(fā)現(xiàn)，噴丸強(qiáng)化可以產(chǎn)生表面加工硬化，有效提高材料的表面硬度，增大表面殘余壓應(yīng)力層的深度，從而改善材料的疲勞性能。

噴丸強(qiáng)化工藝通常利用陶瓷丸、玻璃丸、鋼丸等對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化。其中，陶瓷丸因組織細(xì)密、強(qiáng)度高、變形小而廣泛應(yīng)用于航空航天行業(yè)。與玻璃丸相比，陶瓷丸破碎率低，破碎后碎片保持原始形狀，表面光滑，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。與鋼丸相比，陶瓷丸具有化學(xué)惰性，不易與金屬發(fā)生反應(yīng)，且不易對(duì)受?chē)娏慵绕涫氢伜辖?、鋁合金等金屬造成腐蝕和污染。

采用傳統(tǒng)鍛造方法制備鈦合金零件時(shí)，材料利用率低、成本高，且制造周期較長(zhǎng)。而金屬零件增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的快速自由成形，極大地提高材料利用率，節(jié)約成本[11]，提高效率，自問(wèn)世以來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。然而目前，關(guān)于增材制造TC18鈦合金表面強(qiáng)化的相關(guān)研究較少。因此，作者通過(guò)激光直接沉積成形TC18鈦合金，并對(duì)其進(jìn)行陶瓷丸噴丸強(qiáng)化，研究了噴丸強(qiáng)度對(duì)其表面形貌、表層殘余應(yīng)力以及疲勞性能的影響，旨在為實(shí)現(xiàn)增材制造鈦合金的工程應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料為T(mén)C18鈦合金粉末，粒徑為100～140 μm。采用配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床的10 kW光纖激光增材制造系統(tǒng)成形TC18鈦合金。制造過(guò)程中成形腔內(nèi)通入高純氬氣作為保護(hù)氣體，利用激光對(duì)同軸輸送的TC18鈦合金粉末進(jìn)行多道逐層熔化沉積，見(jiàn)圖1。激光功率為6.38.0 kW，光斑直徑為8～10 mm，掃描速度為8001 200 mm·min-1。所得TC18鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 激光增材制造TC18鈦合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of laser additive manufactured TC18 titanium alloy (mass) %

圖1 激光增材制造過(guò)程示意Fig.1 Schematic of laser additive manufacturing

由圖2可知，激光增材制造TC18鈦合金主要由α-Ti和β-Ti兩相組成，與鍛造TC18鈦合金的相組成一致，其組織形貌為原β相內(nèi)分布著細(xì)小的針狀α相，見(jiàn)圖3。

圖2 雙重退火后激光增材制造TC18鈦合金的XRD譜Fig.2 XRD pattern of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

圖3 雙重退火后激光增材制造TC18鈦合金的顯微組織Fig.3 Microstructure of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

對(duì)激光增材制造TC18鈦合金進(jìn)行雙重退火獲得網(wǎng)籃狀組織，以實(shí)現(xiàn)合理的強(qiáng)韌性匹配。雙重退火熱處理工藝為700 ℃保溫1～3 h，空冷，然后在620 ℃保溫2～8 h，空冷。對(duì)不同爐次的部分試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，由表2可見(jiàn)雙重退火熱處理后激光增材制造TC18鈦合金的力學(xué)性能均符合技術(shù)規(guī)范指標(biāo)要求。

表2 雙重退火熱處理后激光增材制造TC18鈦合金的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of laser additive manufactured TC18 titanium alloy after double annealing

采用荷蘭RSM-50-MR-CS/SS-2-2011型數(shù)控噴丸機(jī)，以Z300陶瓷丸為噴丸介質(zhì)對(duì)雙重退火后的TC18鈦合金試樣進(jìn)行噴丸，使其噴丸強(qiáng)度分別為0.15～0.20 mm，0.20～0.25 mm，0.25～0.30 mm，噴丸覆蓋率均為100%。

1.2 試驗(yàn)方法

采用BrukerD8-ADVANCE型X射線(xiàn)衍射儀(XRD)對(duì)雙重退火TC18鈦合金試樣進(jìn)行物相分析，采用銅靶Kα射線(xiàn)，電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描角度為10°90°，掃描速率為4 (°)·min-1。采用島津DUH-201S型動(dòng)態(tài)超顯微硬度計(jì)測(cè)定試樣表面硬度，壓頭為正三角錐狀金剛石，對(duì)角為115°，最大載荷為98 mN，加載速率為1.324 mN·s-1，加載時(shí)間為10 s。按照GB/T 7704-2008，利用MG4OP FS#4型殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試試樣表層殘余應(yīng)力，采樣側(cè)傾測(cè)試法，掃描方式為固定Ψ0法，Ψ0為X射線(xiàn)入射線(xiàn)與試樣表面法線(xiàn)夾角，具體位置為±30°，±24.8°，±19.29°，±11.48°，±5.55°及0°。采用KR-260型表面粗糙度儀測(cè)定試樣表面粗糙度Ra。

按照GB/T 3075-2008，采用EHF-UV100K1-040-0A型疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)噴丸強(qiáng)化前后的TC18鈦合金進(jìn)行室溫疲勞試驗(yàn)，疲勞試樣形狀及尺寸如圖4所示，每組測(cè)8個(gè)平行試樣，最大應(yīng)力水平σmax為800 MPa，應(yīng)力比R為0.1，試驗(yàn)頻率fz為20 Hz。采用JSM-IT100型掃描電子顯微鏡(SEM)觀(guān)察試樣疲勞斷口形貌，工作電壓為20 kV。

圖4 疲勞試樣的形狀及尺寸Fig.4 Shape and size of fatigue specimens

采用中值疲勞壽命N50作為疲勞試驗(yàn)的結(jié)果，中值疲勞壽命計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：n為每組試驗(yàn)中疲勞試樣的個(gè)數(shù)；Ni為某一特定載荷下的疲勞循環(huán)次數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面形貌

由圖5可以看出，未噴丸強(qiáng)化試樣表面存在較多磨削加工痕跡，而噴丸強(qiáng)化后試樣表面加工痕跡明顯減少甚至消失；在較低噴丸強(qiáng)度下，試樣表面僅存在少量細(xì)小的加工痕跡和輕微的彈坑痕跡，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯；當(dāng)噴丸強(qiáng)度達(dá)到0.25～0.30 mm時(shí)，彈坑周?chē)霈F(xiàn)大量微裂紋，這可能會(huì)成為疲勞裂紋的萌生位置，使試樣疲勞壽命降低。

圖5 未噴丸和不同噴丸強(qiáng)度下激光增材制造TC18鈦合金的表面形貌Fig.5 Surface morphology of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot peening (a) and with different shot-peening intensities (b-d)

2.2 表面粗糙度及殘余應(yīng)力

由圖6可以看出：噴丸試樣的表面粗糙度明顯高于未噴丸試樣(即噴丸強(qiáng)度為0)的，隨噴丸強(qiáng)度增加，試樣表面粗糙度亦增加；0.15～0.20 mm和0.20～0.25 mm噴丸強(qiáng)度下試樣表面粗糙度相差不大，0.25～0.30 mm噴丸強(qiáng)度下試樣表面粗糙度較未噴丸試樣的增大了3倍左右，這與圖5的表面形貌相吻合。表面粗糙度的增加將不利于試樣的疲勞壽命，因?yàn)楸砻娲植诙容^大時(shí)，局部應(yīng)力集中也隨之增大，當(dāng)應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)則會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，并導(dǎo)致裂紋萌生。

圖6 不同噴丸強(qiáng)度下激光增材制造TC18鈦合金的表面粗糙度Fig.6 Surface roughness of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shot-peening intensities

由圖7可知：未噴丸試樣表層也存在一定殘余壓應(yīng)力，這是由于噴丸前試樣均經(jīng)過(guò)機(jī)械車(chē)削加工所致；隨著噴丸強(qiáng)度的增加，試樣表面殘余壓應(yīng)力增大，噴丸試樣表面殘余壓應(yīng)力比未噴丸試樣的增大了70～120 MPa。表面殘余壓應(yīng)力的存在可以降低外加載荷的不利影響，減小平均應(yīng)力，提高疲勞裂紋萌生的抗力。

圖7 不同噴丸強(qiáng)度下激光增材制造TC18鈦合金的表面殘余壓應(yīng)力Fig.7 Surface residual compressive stress of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shotpeening intensities

2.3 硬 度

由圖8可以看出，經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，試樣表面納米壓入深度明顯降低，說(shuō)明噴丸處理使得激光增材制造TC18鈦合金的納米壓痕硬度有所提高。利用納米壓入設(shè)備自帶的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可得未噴丸強(qiáng)化試樣的納米硬度及彈性模量分別為356.84 GPa和91.7 GPa；0.20～0.25 mm噴丸強(qiáng)度試樣的納米硬度及彈性模量分別為417.11 GPa和144 GPa，兩者較未噴丸試樣的分別提高了17%和57%，其原因?yàn)閲娡鑿?qiáng)化后合金表層組織出現(xiàn)形變，形成了一定厚度的加工硬化層，抑制了疲勞裂紋萌生以及早期的裂紋擴(kuò)展。

圖8 未噴丸和0.20～0.25 mm噴丸強(qiáng)度激光增材制造TC18鈦合金的納米壓入曲線(xiàn)Fig.8 Nano-compression curves of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot-peening and with 0.20-0.25 mm shot peening intensity

2.4 疲勞壽命

由圖9可以看出：未噴丸試樣的中值疲勞壽命較低，約為83 600周次，噴丸強(qiáng)化后試樣的中值疲勞壽命顯著提高；隨著噴丸強(qiáng)度的提高，試樣疲勞壽命先增大后減小，0.20～0.25 mm噴丸強(qiáng)度試樣的中值疲勞壽命最高，達(dá)226 600周次，約為未噴丸試樣的2.7倍，強(qiáng)化效果最佳。噴丸工藝對(duì)疲勞壽命的影響是試樣表面殘余應(yīng)力和表面粗糙度共同作用的結(jié)果。當(dāng)噴丸強(qiáng)度小于0.25 mm時(shí)，隨著噴丸強(qiáng)度的提高，試樣表面車(chē)削痕跡逐漸消失，完整性得到提高，殘余壓應(yīng)力增大，其對(duì)疲勞性能的提高作用高于表面粗糙度造成的不利影響，試樣疲勞壽命提高。當(dāng)噴丸強(qiáng)度增至0.25～0.30 mm時(shí)，彈丸撞擊的力度增大，試樣表面粗糙度進(jìn)一步增大，并且開(kāi)始出現(xiàn)微裂紋，這給疲勞裂紋的萌生創(chuàng)造了條件，試樣表面受到較大的破壞，因此疲勞壽命又有所下降。

圖9 不同噴丸強(qiáng)度下激光增材制造TC18鈦合金的中值疲勞壽命Fig.9 Median fatigue life of laser additive manufactured TC18 titanium alloy with different shot-peening intensities

2.5 疲勞斷口形貌

由圖10可以看出，未噴丸試樣的疲勞裂紋源位于距表面約400 μm處，而0.20～0.25 mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲勞裂紋源向內(nèi)部轉(zhuǎn)移，距離表面約800 μm，這是由于噴丸后材料表層發(fā)生塑性變形，硬度增大，裂紋萌生變得困難。此外，噴丸引入了數(shù)值更大、分布更深的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)，抑制了疲勞裂紋的擴(kuò)展，因此可觀(guān)察到噴丸試樣的裂紋擴(kuò)展區(qū)面積較未噴丸試樣的更大，裂紋擴(kuò)展時(shí)間的延長(zhǎng)提高了試樣的疲勞壽命。相比未噴丸試樣凹凸不平、溝壑林立的斷口形貌，噴丸強(qiáng)化試樣的斷口更加平整光滑，這主要是源于每個(gè)疲勞周次更短的裂紋擴(kuò)展路徑。0.25～0.30 mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲勞裂紋源幾乎位于表面，這是由于噴丸強(qiáng)度過(guò)大使得表面產(chǎn)生了微裂紋；放大后可清晰地觀(guān)察到該試樣表層形成了約20 μm厚的疏松層，其內(nèi)部存在較多孔洞，這進(jìn)一步降低了試樣的疲勞壽命。可見(jiàn)，過(guò)大或過(guò)小的噴丸強(qiáng)度均不利于激光增材制造TC18鈦合金疲勞壽命的提高。

圖10 未噴丸和不同噴丸強(qiáng)度下激光增材制造TC18鈦合金的疲勞斷口形貌Fig.10 Fatigue fracture morphology of laser additive manufactured TC18 titanium alloy without shot peening (a) and with different shot-peening intensities (b-d): (c) at low magnification and (d) at high magnification

3 結(jié) 論

(1) 隨著噴丸強(qiáng)度的提高，激光增材制造TC18鈦合金表面加工痕跡逐漸消失但彈坑變得明顯，0.250.30 mm噴丸強(qiáng)度下出現(xiàn)微裂紋缺陷；試樣表面粗糙度和表層殘余壓應(yīng)力均隨噴丸強(qiáng)度提高而增加；噴丸強(qiáng)化處理能夠提高激光增材制造TC18鈦合金的表面硬度和彈性模量。

(2) 隨著噴丸強(qiáng)度的提高，激光增材制造TC18鈦合金的疲勞壽命先增大后減小，0.20～0.25 mm噴丸強(qiáng)度試樣的疲勞壽命最高，約為未噴丸試樣的2.7倍；過(guò)高的噴丸強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致試樣表層出現(xiàn)疏松層，疲勞裂紋源向外表面轉(zhuǎn)移，疲勞壽命降低。