發布日期：2025-2-9 10:20:53
鈦及鈦合金因具有密度小、耐熱性好、比強度高等優點,在航空航天、石油化工、生物醫學等領域得到廣泛應用,尤其在飛機減重、改善性能方面發揮著日益重要的作用[1-3]。
TA15鈦合金是一種高鋁當量的近α型鈦合金,成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V[4]。該合金既具有α型和α＋β型鈦合金的許多優點,又具有中等的室溫強度、高溫強度,以及良好的熱穩定性和焊接性能[5],其在航空領域多采用機械加工、焊接、鈑金成形等工藝,用于框、梁、壁板類、蒙皮類零件的制造。對于復雜壁板類零件,確保原材料具有強度、塑性相匹配的綜合力學性能是其加工成形的關鍵。作為金屬材料力學性能的重要指標,彎曲性能對于評價材料塑性成形能力有著重要意義,被廣泛應用于原材料的性能檢測。
TA15鈦合金板材在彎曲變形過程中彎折外側受到拉應力,彎折內側受到壓應力,在拉、壓應力共同作用下發生彈性和塑性變形,當塑性變形階段的變形量超出板材自身塑性所能承受的最大延伸量時,板材將不可避免地發生開裂。鈦合金板材在成形過程中,材料本身的微觀組織和這些微觀組織在變形過程中的變化決定了材料的成形性能[6]。TA15合金對熱處理強化不敏感,因此只能對其進行退火處理[７],退火后的組織為初生等軸α＋β轉變片層組織,其本身具有良好的綜合力學性能。而TA15鈦板在彎曲變形過程中,總是在接觸彎芯處(曲率半徑最大)的外表面承受最大拉應力,若此處表面存在尖銳或較深劃痕、硬脆α污染層等表面缺陷,則更容易在缺陷處形成預制裂紋源,進而引起開裂。本文中研究不同表面處理工藝對TA15鈦合金板材彎曲性能的影響,通過對比分析以及極限彎曲性能試驗,確定最佳的表面處理工藝。
1、試驗材料及方法
彎曲試樣使用的材料是退火狀態下的TA15鈦合金板材,厚度為5mm,寬度為15mm,取樣方向為橫向(垂直于軋制方向)。鈦合金板材表面處理主要采用機械處理法、化學處理法、激光處理法等[8]。為探索不同表面處理工藝對板材彎曲性能的影響,本文中對彎曲試樣進行了不同工藝的表面處理,彎曲試樣形貌如圖1所示。其中,拋光處理使用120＃千葉輪手工進行;酸洗處理使用含30％~40％(體積分數)硝酸與3％~7％(體積分數)氫氟酸的溶液,整體減薄0.06~0.08mm。
為研究不同表面處理工藝對板材彎曲性能的影響,分別開展下列試驗。
(1)粗糙度檢測:使用TR100Ａ型粗糙度測量儀對不同表面處理工藝下的試樣進行粗糙度測量,并對測量結果進行對比分析。
(2)表面微觀形貌SEM觀測:利用掃描電鏡對板材試樣表面的微觀形貌進行觀測,深入分析不同處理工藝對板材表面的影響。
(3)極限彎曲試驗:開展極限彎曲試驗,不斷增大彎曲角直至試樣開裂,研究不同表面處理工藝對板材彎曲性能的影響。
2、試驗結果與分析
2.1 粗糙度測量結果分析
使用TR100Ａ型粗糙度測量儀對不同表面處理工藝下的試樣進行粗糙度(Ra)檢測,結果如圖2所示。
經表面處理后,板材表面粗糙度值均出現了減小的現象,這是因為采用機械或者化學拋光的方法可以使板材表面平坦化,從而提高板面的光潔度。對各種表面粗糙度變化情況分析如下:
(1)原始表面。原始表面粗糙度測量平均值為0.81μm,這表明其表面平滑程度并不理想。觀察散點分布圖(見圖2)后可知,原始表面粗糙度實測值分散現象明顯,表面微觀形貌的一致性較差,這易導致板材彎曲時表面受力不均,對彎曲性能產生不利影響。
(2)120＃千葉輪拋光(手工)處理。采用120＃千葉輪拋光后,板材表面呈現出明顯的方向性,如圖1所示。經測量,在垂直于拋光方向上,板材的粗糙度值較原始表面變化不明顯,但在平行于拋光方向上,粗糙度值減小了64.2％。雖然粗糙度值總體呈減小趨勢,但表面的各向異性并不利于板材彎曲性能的提升。觀察散點分布圖(見圖2)后可知,拋光后,無論在垂直拋光方向還是平行拋光方向上,板材的粗糙度值均較為分散,其主要原因是手工拋光在拋光面積、拋光力度等方面的一致性較差,板材表面存在高低起伏的微觀形貌。
(3)酸洗減薄處理。采用酸洗減薄處理后,板材表面質量顯著提高,表面粗糙度值較原始表面的粗糙度值下降了66.7％。同時,板材表面沒有出現明顯的方向性,粗糙度值分布更為集中,表面微觀形貌的一致性得到了明顯提升。
(4)120＃千葉輪拋光＋酸洗減薄處理。采用120＃千葉輪拋光＋酸洗減薄處理后,板材粗糙度值較原始表面的粗糙度值下降了84％,表面質量提升效果明顯。由于采用了酸洗工序,拋光后板材表面的方向性痕跡得以消除。而與單一的表面處理工藝相比,先機械拋光再酸洗化學拋光的聯合工藝對板材表面微觀形貌一致性的提升效果更明顯,同時,聯合工藝對提升板材彎曲性能有著重要意義。
2.2 表面微觀形貌分析
為進一步直觀地了解不同表面處理工藝下板材試樣的表面形貌特征,使用SEM電鏡對試樣表面進行了觀測分析,結果如圖3所示。
從圖3中可以看出,試樣在不同的表面處理工藝下呈現出各具特征的表面形貌:①原始表面微觀形貌高低起伏較大,呈現出不規則的凹坑;②120＃千葉輪拋光表面沿拋光方向呈現出規則的平行拋光紋路,雖然表面得到了有效平整,但呈現出明顯的方向性,且可以觀察到磨料顆粒切削表面后留下的劃痕;③與原始表面相比,酸洗表面出現了明顯的平坦化特征,原始表面的凹坑和劃痕等高低起伏較大處被明顯鈍化;④120＃千葉輪拋光＋酸洗表面最為平整,得到了較為完全的鈍化。從以上形貌特征中可以看出,板材原始表面大量不規則的凹坑以及機械拋光造成的較深劃痕都容易在板材彎曲受力時形成潛在裂紋源,造成板材過早發生開裂。而酸洗腐蝕對表面凹坑、劃痕的鈍化和消除起到了明顯的作用。采用120＃千葉輪拋光＋酸洗聯合工藝時,機械拋光可以對表面微觀形貌進行平整,再加上之后酸洗對表面微觀形貌一致性的進一步提升,可以有效消除微觀潛在裂紋源,降低板材因表面質量問題而過早發生開裂的風險,有效提高板材的彎曲性能。
2.3 極限彎曲試驗結果分析
為了驗證前述觀測分析結論,對不同表面狀態下的試樣進行極限彎曲試驗。按相關標準要求,設定彎芯直徑為15mm,彎曲角為30°。對于彎曲至30°時仍未開裂的試樣,繼續增大彎曲角直至開裂為止。彎曲后的試樣如圖4所示,彎曲結果統計如圖5所示。
在彎曲改善效果方面,千葉輪拋光處理后板材表面光潔度雖有提高,但由于存在明顯的拋光痕跡,且彎曲方向平行于拋光方向,導致彎曲性能并沒有顯著提升,粗糙度值較為分散,穩定性較差;酸洗處理后板材表面光潔度提高的同時,彎曲性能也得到一定的提升,極限彎曲角穩定在45°~4９°;采用拋光＋酸洗聯合工藝處理后的試樣,表面光潔度和彎曲性能均大幅提升,極限彎曲角較原始表面提高了54.2９％~60.61％。對彎曲試樣開裂斷口進行ＳＥＭ電子顯微鏡觀察,斷口形貌如圖6所示。從圖6(ａ)中可以看出,裂紋起源于試樣表面(紅色箭頭指向),斷口較為平整。從圖6(ｂ1)和(ｂ2)中可以看出,近表層斷口韌窩淺而大、數量較少,表現為韌性及準解理斷裂相混合[９],這與板材表層在彎曲變形過程中的受力情況有關,板材在彎折處外表面承受最大拉應力,彎折過程中表面塑性變形量最大,變形硬化效應最為強烈。從圖6(ｃ1)和(ｃ2)中可以看出,與表層斷口韌窩相比,中心層斷口韌窩數量多、尺寸小,板材中心層斷裂類型為典型的韌性斷裂。在板材中心層處,由于拉、壓應力的平衡和制約,板材塑性變形量較小,變形硬化效應相對較弱,斷裂過程符合一般板材彎曲變形的力學和幾何特點。
以上彎曲試驗結果進一步驗證了上文中對板材表面觀測及粗糙度檢測后所得出的結論:在板材化學成分、內部組織、力學性能一致的前提下,其表面微觀形貌的一致性對板材彎曲性能有較大影響,其中酸洗工藝起到了重要作用,而先機械拋光再酸洗化學拋光的聯合工藝對板材表面微觀形貌的改善效果明顯。
3、結論
(1)造成TA15板材試樣彎曲開裂的微觀機制如下:板材表面存在未鈍化的微觀凹坑和較深劃痕,在表面拉應力的作用下,這些凹坑和劃痕易形成裂紋源;隨著彎曲角逐漸增大,裂紋擴展,直至板材失穩斷裂。
(2)120＃千葉輪拋光(手工)對板面平整有明顯作用,宏觀上提高了板材表面光潔度,但磨料切削造成板材部分表面存在較深劃痕以及方向性磨削痕跡,亦能形成潛在裂紋源,故單純拋光處理不能穩定提高板材彎曲性能。
(3)酸洗工藝對改善板材微觀表面形貌、鈍化表面凹坑和深劃痕效果顯著。120＃千葉輪拋光＋酸洗聯合工藝兼具機械拋光和化學拋光的優點,可以顯著、穩定地提高板材彎曲性能。
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