化学镀镍次数对TC2钛合金疲劳性能影响

晁耀杰，刘吉飞，巨敏，周元彪，邹阳，杨超，王琼，张起富，张季童

化学镀镍次数对TC2钛合金疲劳性能影响

晁耀杰*，刘吉飞，巨敏，周元彪，邹阳，杨超，王琼，张起富，张季童

（大连长丰实业总公司，辽宁 大连 116038）

为研究化学镀镍次数对钛合金疲劳性能的影响，选取TC2钛合金作为代表材料，采用疲劳试验机和扫描电子显微镜对其空白试样与3次和5次化学镀镍返修试样的疲劳寿命和疲劳断口形貌进行了测试分析。旋转弯曲疲劳试验结果表明：化学镀镍返修次数越多，TC2试样在高载荷条件下的疲劳寿命越低；疲劳载荷越低，化学镀镍返修次数对TC2的疲劳寿命影响越小；当疲劳载荷接近疲劳极限时，5次以内的化学镀镍次数对疲劳极限数值无影响。疲劳断口观察结果表明：随着镀镍次数的增多，疲劳断口的疲劳源数量增多，疲劳扩展区和瞬断区形貌无差别。

化学镀镍次数；TC2钛合金；疲劳性能；影响

为了适应未来战争对机动性和灵活性的要求，航空装备轻量化已经成为一种趋势，钛合金作为一种有色金属，因其具备强度高、密度小等优点在航空零部件的制造中得到了广泛应用［1-3］。由于钛合金的耐磨性和耐腐蚀性存在不足［4-5］，为提高钛合金零件的使用寿命，一般采用化学镀镍的方式进行防护。在航空装备的长期服役过程中，钛合金零件的化学镀镍层难免会发生磨损，按照飞机大修技术要求，需要对此类零件开展化学镀镍返修。钛合金化学镀镍受行业标准限制“只允许返修两次”，导致飞机大修中大量需要多次（两次以上）化学镀镍的钛合金返修零件因受镀镍次数限制而报废，考虑到航空钛合金零件价格昂贵，因此带来了较大的经济损失。

随着化学镀镍表面处理技术的不断发展，“只允许返修两次”的规定已经成为限制航空装备大修中钛合金零件修理的瓶颈问题，同时考虑到航空装备中钛合金零件对疲劳性能的要求［6-8］，因此有必要开展化学镀镍次数对钛合金疲劳性能影响的相关研究。

目前国内外发表的钛合金化学镀镍案例大多针对一次镀镍的前处理工艺、工艺方法及其性能等方面的研究［9-12］，在钛合金多次化学镀镍后疲劳性能方面的研究尚存在不足。本研究选取典型航空钛合金材料TC2作为研究对象，从疲劳寿命测试和疲劳断口形貌观察两个角度开展了化学镀镍返修次数对其疲劳性能的影响。

1　试验方法

本文采用的研究对象为等温退火状态的TC2钛合金材料，其主要合金成分如表1所示。为了研究化学镀镍返修次数对TC2钛合金镀层与基体性能的影响，依据HB 5071-2004 《化学镀镍及工艺质量检验》，在返修过程中每增加一次化学镀镍前均需增加退镀、除氢过程，化学镀镍的工艺流程为：除油→吹砂→活化→氢化→化学镀镍→热处理→除氢（消除应力）退火，其中热处理温度为310 ℃±10 ℃，时间约1.5小时，除氢退火温度为700 ℃±10 ℃，时间为3小时。本文选取3次、5次和6次化学镀镍返修试样，开展了TC2钛合金镀层与基体性能的影响。

参考HB 5152-96《金属室温旋转弯曲疲劳试验方法》标准制作如图1所示的旋转弯曲疲劳试样，按照升降法采用疲劳试验机对空白及化学镀镍返修试样进行疲劳寿命测定，并绘制-曲线。参考钟群鹏院士的《断口学》［13］开展疲劳断口形貌的观察与分析工作，疲劳断口试样的实物如图2所示。

图1　旋转弯曲疲劳试样

图2　疲劳断口试样

2　试验结果与分析

2.1　旋转弯曲疲劳性能

按照升降法对空白和镀镍返修试样（3次、5次）开展疲劳寿命测试，加载参数如图3（a）、图3（b）和图3（c）所示。将疲劳试验机得到的疲劳寿命数据通过Origin软件拟合成如图4所示曲线。由于第六次化学镀镍返修试样在退镀过程中的尺寸损失过大，疲劳试验机无法加载，故无法得到第六次化学镀镍返修的疲劳数据。

通过拟合空白试样、3次和5次化学镀镍返修试样的疲劳寿命测试数据，可分别得到三条对应的-曲线，通过拟合可知空白试样的疲劳数据拟合方程为lg=7.099-1.247lgmax，3次化学镀镍返修试样的拟合方程为lg=8.631-1.660lgmax-164.7，5次化学镀镍返修试样的拟合方程为lg=7.119-1.035lgmax。通过以上三个公式的计算可知：当=107时，空白试样对应的疲劳极限数值为471 MPa，3次化学镀镍返修试样对应的疲劳极限数值为166 MPa，5次化学镀镍返修试样对应的疲劳极限数值为163 MPa。

图3　TC2试样疲劳升降法加载参数曲线

通过对比观察图4所示三条曲线可以看出：空白试样位于最右侧，3次化学镀镍试样位于中间，5次化学镀镍返修试样位于最左侧，即：当疲劳加载的最大应力max处于同一载荷（大于200 MPa）应力数值时，空白试样对应的疲劳寿命数值最大，5次化学镀镍试样对应的疲劳寿命数值最小；当疲劳加载的最大应力max接近多次（5次以内）镀镍返修疲劳极限（163 MPa～166 MPa）时疲劳寿命均接近107次，也可理解为疲劳寿命为无限次。

图4　TC2钛合金疲劳试样S-N曲线

返修后的疲劳极限与空白疲劳极限有较大程度的降低，这是因为TC2试样经化学镀镍返修后需要经过一道热处理工序，镀镍层经热处理后呈现为脆性，因此会产生残余拉应力，当残余应力与疲劳加载应力叠加时会造成疲劳寿命的降低。随着化学镀镍返修次数的增加，曲线斜率增大，即疲劳性能会下降。

2.2　疲劳断口

通过扫描电子显微镜分别对空白试样、3次化学镀镍返修和5次化学镀镍返修试样的疲劳断口进行对比观察，疲劳断口的宏观试样如图5所示，疲劳源区的微观形貌如图6所示，疲劳扩展区的微观形貌如图7所示，瞬断区的微观形貌如图8所示。

图5　疲劳断口的宏观形貌

通过图5可以看出：空白试样、3次镀镍和5次镀镍返修试样的疲劳断口均由疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区三部分构成；空白试样存在一处疲劳源，3次镀镍返修试样存在三处疲劳源，5次镀镍返修试样存在5处疲劳源。

图6　疲劳断口源区微观形貌

图7　疲劳断口扩展区微观形貌

结合图6观察结果，可以看出空白试样的疲劳源尺寸最小（5～10 μm）；3次化学镀镍返修试样的疲劳源尺寸处于中间值（10～25 μm）；5次化学镀镍返修试样的疲劳源尺寸最大（50～60 μm）且该疲劳源为台阶状，具备明显的“河流状”特征，呈现出脆性特征［14］。这是因为随着镀镍返修次数的增多，镀镍层的塑性降低、脆性增加，在疲劳加载过程中镀镍层与试样内部的钛合金基体变形系数不同，进而导致两者的弹性变形不能同步，在旋转弯曲疲劳载荷条件下，镀镍层的脆性越大，越容易形成疲劳源。

对比观察7可知，空白试样、3次化学镀镍返修和5次化学镀镍返修试样的疲劳扩展区均存在明显的疲劳辉纹，且疲劳辉纹之间的尺寸接近，微观特征不存在明显差别。图8显示的是3种试样疲劳瞬断区微观形貌对比，3种试样的瞬断区均显示为典型的微孔聚集性断裂特征，均为等轴韧窝且尺寸接近。

综合图7和图8结果，可看出化学镀镍返修次数对疲劳扩展区和瞬断区的微观形貌无影响。这是因为疲劳扩展区和瞬断区基本位于母材区，多次化学镀镍返修工艺对试样疲劳试样内部母材的材料特性几乎无影响。

图8　疲劳断口瞬断区微观形貌

3　结论

（1）旋转弯曲疲劳性能试验表明：对应空白试样、3次和5次化学镀镍返修试样的3条曲线呈现为依次从右向左分布，且随着化学镀镍返修次数的增加，曲线斜率增大；对应空白试样、3次和5次化学镀镍返修试样的疲劳极限分别为471 MPa、166 MPa、163 MPa，化学镀镍返修试样的疲劳极限与空白试样相比有较大程度的降低，化学镀镍返修次数（5次以内）对镀镍试样的疲劳极限数值无影响。

（2）疲劳断口观察结果表明：镀镍返修次数的增多，TC2钛合金旋转弯曲疲劳试样表面的疲劳源数量增多且疲劳源的脆性更明显；多次化学镀镍返修对疲劳扩展区与瞬断区的微观形貌无影响。

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Influence of Electroless Nickel Plating Times on the Fatigue Properties of TC2 Titanium Alloy

CHAO Yaojie*， LIU Jifei， JU Min， ZHOU Yuanbiao， ZOU Yang， YANG Chao， WANG Qiong， ZHANG Qifu， ZHANG Jitong

（Dalian Changfeng Industrial Corporation， Dalian 116038， China）

In order to study the influence of the number of electroless nickel plating on the fatigue properties of titanium alloys， TC2 titanium alloy was selected as the representative material. The fatigue properties of the blank specimens， three and five electroless nickel plating rework specimens were tested with a fatigue testing machine. The fatigue fracture morphology was tested and analyzed by a scanning electron microscope. The results of the rotating bending fatigue test show that the more the number of electroless nickel plating rework， the lower the fatigue life of the TC2 specimen under high load conditions. The lower the fatigue load， the less the number of electroless nickel plating rework will affect the fatigue life of TC2.When the load is close to the fatigue limit， the number of electroless nickel plating has little effect on the fatigue life value. Fatigue fracture observation results show that the number of fatigue sources of fatigue fracture increases， with the increase of nickel plating times. There is no difference in the morphology of fatigue expansion zone and instantaneous fracture zone.

electroless nickel plating times； TC2 Titanium alloy； fatigue properties； influence

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1001-3849.2022.07.004

2021-10-06

2022-03-11

晁耀杰（1988— ），男，硕士，工程师，主要从事航空装备修理相关的技术及研究工作。Email：chaoyaojie@163.com

大连市高层次人才创新支持计划项目（2020RQ094），大连市揭榜挂帅科技攻关项目（2021JB12GX007）.