ZTC10钛合金平衡肘断裂分析

史 文，李 巍

(1.宝钛集团实验中心，陕西 宝鸡 721014；2.宝钛股份锻造厂，陕西 宝鸡721014)

ZTC10钛合金平衡肘断裂分析

史 文1，李 巍2

(1.宝钛集团实验中心，陕西 宝鸡 721014；2.宝钛股份锻造厂，陕西 宝鸡721014)

平衡肘可以将负重轮上下运动产生的大量冲击能量传送给扭力轴，由扭力轴扭转吸收其能量，以减少车体所受冲击力。针对履带车辆行进中断裂的平衡肘进行断口宏微观分析，发现断裂处较平坦、颜色深，断口上有很多细小的台阶，且存在一定数量的卵形晶粒和枝晶组织，扩展区存在疲劳特征，失效模式为疲劳断裂。借助光学显微镜、维氏硬度计和气体分析仪对断裂处进行分析，结果发现：断口为典型的焊接组织，存在大量的气孔，气孔周围显微硬度较基体明显升高，O含量也略高，此为焊接工艺不当造成。同时，对平衡肘构件使用时的受力状态、ZTC10钛合金平衡肘铸件的石墨型制作、铸造工艺及热等静压处理工艺进行分析，结果表明：因补焊工艺控制不当，焊接区域大量气孔的存在是造成该ZTC10钛合金铸件断裂的主要原因。

平衡肘；断裂源；热等静压；补焊; 硬化层

0 引言

钛合金铸件相比其他材料具有密度小、强度高等优点。钛合金平衡肘铸件可在较大范围的温度变化中承受较大受力工作，其功能是将负重轮上下运动产生的大量冲击能量传送给扭力轴，由扭力轴扭转吸收其能量，以减少车体所受冲击力[1]。由此可见钛合金平衡肘铸件是履带车辆运动部分的关键部件，其质量及可靠性直接影响履带车辆的正常安全行驶。

国内外平衡肘零件大多以钢材锻造和机械加工为主，制造过程导致金属利用率低，经济效益差，而钛合金平衡轴铸件的开发直接经济效益和产品应用可大大改善现状[2]。平衡肘的钛合金件目前大多为精锻件，平衡肘零件常常因组织异常或加工缺陷失效。ZTC10钛合金铸件作为钛合金锻件的替代产品，失效研究多集中在石墨浇筑和热等静压过程，而对补焊引起的失效研究较少。

本研究针对在履带车辆行进过程中发生断裂的ZTC10平衡肘，通过体视显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪等仪器对异常断裂损坏ZTC10平衡肘进行分析，最终确定ZTC10钛合金平衡肘断裂原因。可为消除同类产品缺陷，优化补焊工艺，提高产品质量，避免此类故障的再次发生，增加履带车装配数量提供参考。

1 试验过程与结果

1.1 构件的断裂位置及受力分析

图1为平衡肘及其断裂位置实物图。平衡肘是一个曲臂轴，一端与平衡肘轴相连，另一端与负重轮轴相连，该断裂位置接近负重轴一侧，如图1中所示。在履带车辆行驶中，由于地面凹凸不平，对负重轮产生冲击力，使负重轮向上运动，平衡肘轴带动了扭力轴大端扭转，扭力轴便吸收了大量的冲击能量，从而使车体受到的冲击力减小。当冲力消失后，扭转轴又会将此能量放出，负重轮又会向下运动，以便吸收新的冲击。在这一过程中，平衡肘主要受弯曲扭转应力，履带车辆在恶劣条件下行驶发生的高速撞击时，平衡肘所承受的动载荷约为静载荷的8～11倍[3]。可见履带车辆平衡肘瞬间承受很大的振动和冲击，所以故障较多，容易损坏。履带车辆平衡肘在循环交变应力下，其中表面应力最大，中心应力最小[4-5]。

图1 平衡肘及其断裂位置实物图

1.2 断口观察分析

采用体视显微镜对失效件进行宏观断口观察，其断口形貌如图2所示。从图2中可看出，断裂源区附近断裂特征主要为沿晶断裂，并且断口附近比较平坦，颜色较深，断口源区附近以外呈放射状。不难看出，断裂过程为裂纹由源区位置开始沿放射纤维方向扩展，最终导致平衡肘断裂。

图2 ZTC10平衡肘断口

采用扫描电子显微镜进行微观断口分析，图3是失效件断裂源处断口形貌。从图3a中可以看到失效件断裂源区均存在多条细小的台阶条纹，材料是经一段时间使用后疲劳断裂，并不是瞬时断裂的[6-9]。从图3b中可看到，断裂源区断口上存在一定数量的卵形晶粒及枝晶组织，为焊缝结晶断口形貌。对图4卵形晶粒处应用能谱仪进行微区成分分析，结果见表1。

图3 断裂源区的断口形貌

ItemTiAlSnVFeCuSample84．06．22．16．10．900．70ReferencevalueRemain5．5～6．51．5～2．55．5～6．50．35～1．00．35～1．00

卵形晶粒处微区成分与ZTC10牌号的化学成分相近。这种卵形晶粒及柱状枝晶主要是由于材料存在气孔或疏松造成的，结晶时，气孔或疏松部位晶粒呈自由表面状态，球形表面通常能量较低，易形成卵形晶粒。

1.3 构件组织分析

对平衡肘失效件进行组织分析。图4是靠近断裂源区未经腐蚀所观察到较大的气孔。腐蚀后低倍下可见在靠近表面断裂源区处存在亮区(图5)。对亮区进行纵向剖切取样，取样尽量保证在断裂源区附近。

图4 未腐蚀所观察到的较大气孔

图5 平衡肘断裂区域横向截面形貌

图6是失效件经过腐蚀后亮区及基体组织，可以看出，失效件材料亮区及基体区组织上有较大的差别。亮区为典型的焊接组织，该区域分布有大量气孔，靠近断裂源区位置气孔较为密集。大量气孔的存在是该ZTC10钛合金铸件断裂的主要原因。

图6 平衡肘金相组织

1.4 化学成分分析及显微硬度检测

对所取失效件亮区与基体利用显微维氏硬度计与气体分析仪进行显微硬度测试和H含量与O含量的测试，结果见表2。

表2 失效件亮区与基体显微硬度及H、O含量对比

从表2中可以看出，ZTC10平衡肘亮区的显微硬度较基体区显微硬度高。失效件的表面亮区O含量比基体区略高。这就说明了亮区的焊接部分较基体有一定的硬化现象。

2 分析与讨论

分析断裂的ZTC10铸件产品的制造工艺，主要经过石墨制模、熔炼浇筑、热等静压、补焊等工序。

铸件经热等静压处理后，铸件大量的气孔、疏松缺陷会被压合，组织更加致密，但是钛合金铸件中体积较大的气孔、缩孔有时难以被热等静压压合，从而形成片条状缺陷，它们的尖锐边缘有可能是应力集中的地方，将会成为铸件产生裂纹的危险区，因此应在热等静压前，通过一定检验手段，排除体积较大的气孔。并且热等静压一般只能排除材料内部气孔和不通表面的皮下气孔，表面气孔只能采用打磨、补焊消除。

补焊是修补钛合金铸件、减少与清除各种缺陷的重要方法，大部分钛合金铸件都在保护气氛的焊箱中进行氩弧补焊，并且在补焊时防止铸件氧化，一般箱体抽真空后，应充一次氩气进行洗炉，然后再抽一次真空，最后充至一个大气压才能实施补焊，这样才能保证焊接的质量，这种工艺简单、成本较低，但该工艺人为影响因素太大，因此，不适合比较重要的精密铸件[10-11]。

此ZTC10钛合金平衡肘失效件断裂源区存在大量气孔。根据图3断口形貌与图6a断裂源区组织形态判断，断裂源区为典型的焊接组织。补焊是造成该亮区的最可能因素。为验证这一可能因素，截取失效件，人为的制造一个孔洞，然后采用氩气保护下氩弧焊补焊。补焊后沿垂直补焊的表面进行取样，经机械抛光、腐蚀后观察组织如图7所示。低倍下观察可以看出，经补焊后，试样的补焊区域及热影响区都比基体区的组织亮。高倍观察可见，补焊后熔合区存在很多的气孔，并且气孔多数也是呈线性分布的。与图6a中近断裂源处的组织很是相近。热影响区存在少量的气孔，基体区不存在气孔。

图7 补焊后低倍组织图

因此，造成ZTC10钛合金平衡肘断裂的最主要因素是补焊工艺过程中铸件表面和焊丝处理不干净，存在污物，以及操作不当造成。

3 结论

1)ZTC10钛合金平衡肘铸件断裂是由于补焊工艺控制不当，焊接区域大量气孔的存在导致了该ZTC10钛合金铸件断裂。

2)平衡肘在断裂源处气孔较大，且接近表面，该处在长期使用过程中，容易产生应力集中，最终作为疲劳裂纹源引起该材料的疲劳断裂。

3)为减少近表面的气孔缺陷，应优化补焊工艺操作，以改善产品质量，减少损失。

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Fracture Failure Analysis of ZTC10 Titanium Alloy Balance Elbow

SHI Wen1，LI Wei2

(1.BAOTiTestCenter，ShaanxiBaoji721014,China; 2.BaojiTitaniumIndustryForgingfactory，ShaanxiBaoji721014,China)

The balance elbow of ZTC10 titanium alloy in a vehicle fractured during service. Macro observation on fracture surface was carried out. The fracture is flat, with dim color; there are many small steps and lots of oval grains and dendritic structure on fracture. The propagation region presented fatigue characteristics, meaning the failure mode is fatigue fracture. The fracture was further analyzed with an optical microscope, a vickers hardness tester and a gas analyzer. It is shown that the fracture was typical welding structure; there were many air holes; around the holes, the micro-hardness was obviously higher and O content was also slightly higher than that of the normal zone. The stress state of the balance elbow, graphite production, casting and hot isostatic pressing process were analyzed. It can be concluded that due to the improper repair welding process control, there were a number of pores at the welding area, which was the main cause of the fracture of the ZTC10 titanium alloy castings.

balance cubits; fracture source; hot isostatic pressing; repair welding; hardened layer

2016年7月17日

2016年9月17日

史文(1977年-)，男，工程师，主要从事钛合金金相检测及失效分析等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.007

1673-6214(2016)05-0300-04