鈦合金具有耐高溫、低密度、高比強度、高比剛度、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著航天飛行器的發(fā)展，對其結(jié)構(gòu)重量、靜動熱載荷作用下的變形以及結(jié)構(gòu)承載能力與可靠性的要求日益提升，因而耐高溫、高比強度的鈦合金鍛件成為飛行器設(shè)計的首選材料[1－2]。TC11鈦合金具有良好的高溫性能，并已得到廣泛的工程化應(yīng)用，但近年來在性能檢測過程中發(fā)現(xiàn)其鍛件產(chǎn)品的高溫持久性能存在波動，試樣會出現(xiàn)異常斷裂現(xiàn)象，在相同的試驗溫度和應(yīng)力條件下，其高溫持久壽命為10~120ｈ不等，測試結(jié)果極不穩(wěn)定。為了明確TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣異常斷裂的原因并制定相應(yīng)的解決措施，對異常斷裂試樣進行失效分析，并綜合考量試驗過程、試驗方法和試驗環(huán)境等因素，根據(jù)分析結(jié)果進行相應(yīng)的驗證實驗，以期為解決TC11鈦合金鍛件高溫持久異常斷裂問題提供參考。

1、實驗

TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣在500℃/590MPa條件下40ｈ時發(fā)生異常斷裂，該批次鍛件化學(xué)成分為:Al6.65％，Zr1.85％，Mo3.55％，Si0.30％，其余為Ti。鍛件分別在950℃和530℃下進行雙重退火，獲得穩(wěn)定的雙態(tài)組織，如圖1所示。退火態(tài)TC11鈦合金鍛件的室溫及500℃高溫力學(xué)性能見表1。

通過目視觀察高溫持久試樣表面及斷口宏觀形貌，采用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察異常斷裂試樣縱剖面顯微組織，使用JSM-6700掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌，利用能譜儀進行微區(qū)成分分析，以確定斷裂原因。

2、結(jié)果與討論

2.1宏觀形貌

觀察異常斷裂試樣表面，垂直于應(yīng)力方向存在大量開放性裂紋，肉眼可見試樣表面發(fā)生嚴重氧化，呈灰白色，見圖2。

圖3為高溫持久異常斷裂試樣斷口的宏觀形貌。

斷口心部整體呈淡黃色，由心部向邊部氧化逐漸加重，邊部存在多處凹坑，坑內(nèi)多為深褐色。

2.2微觀組織

圖4為掃描電子顯微鏡下高溫持久異常斷裂試樣表面的微觀形貌。其中，圖4ａ、4ｂ為試樣斷口附近表面微觀形貌，可以看到試樣斷口表面存在多處裂紋，開裂方向均與應(yīng)力加載方向垂直。圖4ｃ、4ｄ為試樣嚴重氧化區(qū)域表面微觀形貌，該區(qū)域試樣表面存在多處腐蝕開裂凹坑，凹坑左右兩側(cè)表面拉伸發(fā)生微觀下陷，凹坑上下兩側(cè)因開裂未發(fā)生塑性變形，總體表現(xiàn)出微觀塑性局部化，這是試樣表面發(fā)生脆化的又一特征。

圖5為高溫持久異常斷裂試樣的斷口形貌。從圖5可以看出，斷口外圓周存在多處凹坑，凹坑處斷口呈現(xiàn)出解理狀脆性斷裂特征，而斷口心部呈現(xiàn)出微孔聚集長大型韌性斷裂特征。解理斷裂屬于脆性斷裂，在應(yīng)力作用下裂紋迅速向試樣內(nèi)部擴展發(fā)生斷裂。

圖6為高溫持久異常斷裂試樣縱剖面的金相照片，其中圖6ａ為遠離斷口區(qū)域，圖6ｂ為試樣斷口處。試樣不同位置的顯微組織形貌特征類似，但斷口處存在明顯裂紋，說明試樣異常斷裂是由斷口處裂紋向內(nèi)延伸導(dǎo)致的，并非典型的塑性斷裂。

2.3能譜分析

圖7為高溫持久異常斷裂試樣表面裂紋區(qū)域形貌。對裂紋區(qū)域進行能譜微區(qū)成分分析，結(jié)果見表2。測試點1為裂紋內(nèi)部絮狀殘留，其化學(xué)成分主要為O、C、Mg、Si；測試點2為裂紋附近表面，其化學(xué)成分主要為O、Ti，另含有少量的C、Al、Mo、Cl、Si、Na等元素；測試點3為裂紋內(nèi)部側(cè)壁，其化學(xué)成分主要為O、Ti、C、Al，還有少量S、Si、Cl、Mg等；測試點4為裂紋內(nèi)部殘留白色顆粒物，其主要化學(xué)成分為Cl、Ti、Na、Mg，各元素含量分別為45.97％、26.35％、9.55％、1.57％。

高溫持久鈦合金試樣因長時間暴露在高溫環(huán)境下，其表面發(fā)生氧化，表層主要成分為TiO₂[3－4]。

但在試樣的4個測試點中還檢測到不同含量的Si、Mg、Cl、Na等元素，說明試驗過程中存在引入外來元素的情況，推測試樣表面發(fā)生了比較特殊的熱鹽應(yīng)力腐蝕[5]。

2.4失效分析

在高溫和應(yīng)力作用下的鈦合金遇到鹵化物時，會變脆甚至發(fā)生脆斷，這是一種典型的鈦合金熱鹽應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，最早由Ｇ.Ｗ.Ｂａｕｅｒ發(fā)現(xiàn)[6]。大量研究表明，高溫、應(yīng)力、水和鹵鹽等是鈦合金發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕的必要條件[7－9]。趙永慶等[10]研究發(fā)現(xiàn)，熱暴露和熱鹽暴露的交互作用使合金的熱鹽應(yīng)力腐蝕性能明顯惡化。高溫持久試驗過程中，高溫使試樣表面發(fā)生氧化形成氧化層，而外部引入的Mg、Na、Cl等元素在高溫和濕氣作用下進一步與試樣表面的氧化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致試樣表面氧化層疏松或開裂，為更多的鹵鹽進入基體提供了有利條件，致使腐蝕加速。腐蝕所形成的表面點脆化和腐蝕凹坑在高應(yīng)力作用下形成裂紋，腐蝕裂紋向內(nèi)部持續(xù)擴展引起脆性開裂，同時試樣有效受力面積減小，應(yīng)力水平提高，最終導(dǎo)致試樣發(fā)生異常斷裂[11]。楊文濤等[12]研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鈦合金在高溫下與鹽類接觸發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的臨界溫度為260℃。因此，可以確定導(dǎo)致TC11鈦合金鍛件高溫持久試樣異常斷裂的原因為高溫持久試驗過程中試樣表面發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕。

分析整個高溫持久試驗過程，推測捆綁熱電偶所用的石棉繩是外來Mg、Na、Cl等元素的主要引入物。為了進一步驗證推測，進行了以下實驗。

3、熱鹽應(yīng)力腐蝕原因分析

為進一步驗證失效原因，以經(jīng)過雙重退火處理的TC11鈦合金棒材作為試驗材料，按照GB/T 2039—2012要求加工標準高溫持久試樣，試樣平行段表面光潔度Ra≤0.8μｍ。高溫持久試驗分為2組，每組3支試樣，組一中3支試樣用石棉繩捆綁固定熱電偶，組二中3支試樣用鎳鉻絲捆綁固定熱電偶，固定好的熱電偶焊點均緊貼試樣表面。設(shè)定試驗溫度為500℃，試驗應(yīng)力為590MPa。試驗前試樣均放置在超聲波清洗槽內(nèi)用酒精清洗，使其表面潔凈無污染。上機時試驗員全程佩戴一次性棉手套進行操作。

圖8為選用不同捆綁材料時高溫持久試驗結(jié)束后試樣的照片。組一中3支使用石棉繩捆綁固定熱電偶的試樣表面均發(fā)生不同程度的腐蝕，表面呈灰白色，腐蝕嚴重處已發(fā)生開裂，與高溫持久異常斷裂試樣表面狀態(tài)一致。組二中3支使用鎳鉻絲捆綁熱電偶的試樣表面未見灰白色腐蝕產(chǎn)物，僅發(fā)生了輕微氧化，呈藍色，且具有光澤。組一中2支腐蝕較嚴重的試樣分別在83、105ｈ斷裂，另1支120ｈ未斷；組二中3支試樣經(jīng)120ｈ高溫持久試驗均未發(fā)生斷裂。試驗結(jié)果表明，高溫持久試驗時石棉繩會導(dǎo)致試樣表面發(fā)生氧化和腐蝕，導(dǎo)致試樣高溫持久性能異常。

為明確試驗所使用的石棉繩化學(xué)成分，分別取實驗室常用的2種石棉繩(石棉繩1為本次實驗所用石棉繩)進行能譜分析，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，石棉繩1與石棉繩2中均含有O、C、Si、Mg、Cl等元素，元素種類及含量因石棉繩不同而存在差異。查閱相關(guān)石棉繩資料了解到，石棉繩因產(chǎn)地、成礦條件、生產(chǎn)工藝的不同導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)、主要成分和含水量不同[13]，但可以確定，導(dǎo)致產(chǎn)生熱鹽應(yīng)力腐蝕的Mg、Na、Cl等元素均是由石棉繩引入的。

4、結(jié)論

(1)TC11鈦合金鍛件高溫持久異常斷裂試樣的斷口外圓周圍凹坑處多發(fā)生沿晶斷裂，心部為韌性斷裂。在持久試驗應(yīng)力作用下，裂紋由外向內(nèi)擴展導(dǎo)致試樣斷裂。

(2)高溫持久試驗過程中捆綁熱電偶的石棉繩中含有Mg、Na、Cl等元素，高溫高應(yīng)力導(dǎo)致鈦合金材料發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，影響TC11鈦合金高溫持久性能測試的穩(wěn)定性。

(3)采用鎳鉻絲替代石棉繩捆綁熱電偶，試樣表面未發(fā)生熱鹽應(yīng)力腐蝕，有效解決了TC11鈦合金高溫持久試樣異常斷裂問題。

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