探究钛合金及其扩散焊疲劳特性的研究进展

于 洋

（海装沈阳局驻哈尔滨地区第三军事代表室 黑龙江 哈尔滨 150078）

0 引言

随着现代船舰的发展与进步，对建造材料各方面机能都提出了更高的要求，如高可靠性、高机动性、轻质、长寿命等，这就需要发展更加高效的新技术与新材料。而钛合金以其独特优势，成为现代船舰制造主体结构的重要材料。是否有效运用钛合金，直接体现着船舰结构选材的先进性。钛及钛合金，发展时间从二十世纪中期开始，是一种多用途金属材料，最显著优势就是高比强度、高耐蚀性等，相较于钢铁，其价格也更加昂贵[1]。因此，应用领域多集中在航空航天、石油化工等高端领域。相较于其优势，钛合金的缺点也非常明显，经过疲劳实验，显示出钛合金损伤容限较低的缺陷，疲劳裂纹一旦出现，扩展的速度就会大大加快，从而难以保证长期使用。因此，对于钛合金疲劳裂纹快速扩展的问题，应当深入研究，并对这一问题进行彻底解决。针对这一问题，目前，许多新型钛合金材料被研发出来，具有较高的损伤容限，如国内自主研发的TC4-DT、TC21 等钛合金。在长期的研究中，已经能够有效掌握钛合金材料成分体系，对钛合金结构形式进行重新构造，也是提升其损伤容限的有效途径。

1 钛合金及其焊接

钛合金中添加合金元素，依据稳定类型，有三类：①α 稳定元素。②β 稳定元素。③中性元素。钛合金的类型划分是按照化学成分进行区分的，根据这一标准可以将铝合金分为α 型、近α 型、α+β 型、近β 型、亚稳β 型和β 型钛合金几种类型，如图1所示。

图1 Mo 当量钛合金类型示意图

在加热钛及钛合金时，其容易与H、C、N、O 反应，进行焊接时，300 ℃快速吸H，600 ℃快速吸O，700 ℃快速吸N，达到1000 ℃以上时其与C 形成化合物，吸入杂质气体，就会使钛原子与其他杂质原子形成化合物，形成脆化钛合金[2]。因此，为了使焊接接头质量得到保障，在焊接时，往往会处于真空环境。目前，激光焊、扩散焊、电子束焊等是钛合金的主要焊接方法。以下着重讲“扩散焊”这个焊接方法，因为这个方法是最普遍、最广泛的。

扩散焊，就是将两个或多个待焊材料叠放在一起，放在真空环境或是保护气氛炉内，对其加温加压，使焊接表面发生可塑化变形，这样就能使焊接表面接触更紧密，在保温保压中通过原子相互扩散，进行冶金连接，使其整体性更强，这是一种固相焊接。主要有以下优点：①能保证接头质量，焊接牢固、稳定。②焊件变形小、具有高精度尺寸。③能够对复杂、多接头的构件进行同时焊接，满足多种作业需求之间的焊接工作需要。④可以对不同材料，薄厚差异较大的结构件进行焊接，适用比较广泛。

2 疲劳裂纹形核

疲劳破坏，指的是在交变循环的应力作用下，使材料产生局部变化，或是不断积累缺陷损伤，经过循环后局部变形，产生和不断扩展疲劳裂纹，最终导致工件断裂与破坏。循环次数决定了局部变形的程度和发展程度，但是铝合金材料多数在工业实践中需要反复使用，疲劳裂纹形核是影响铝合金材料性能的一项重要指标。

总体而言，材料疲劳破坏过程，主要分为三个阶段，分别是裂纹产生、裂纹扩展，以及最后的瞬时断裂。就钛合金的疲劳特性来说，其紧密联系着微观组织，如形貌、晶粒、织构、晶粒取向等。在焊接时，能量都集中在一处，在快速加热冷却中，接头处的微观和宏观组织就会出现缺陷，如果无法均匀分布热量，就会导致疲劳裂纹。

在高周疲劳中，大部分时间都处于裂纹萌生期。金属材料疲劳破坏，一般是由于材料表面或是内部缺陷导致的。这些区域有较高的局部应力，在高应力之下，组织局部就会变形。上述内容都是疲劳裂纹形成的重要原因。

3 疲劳裂纹扩展

受到循环加载作用，在断裂前，多数金属都会经过宏观疲劳裂纹发展阶段，从微小到扩大。在这个过程中，可以用da/dN-ΔK裂纹扩展速率曲线展示。（a为疲劳裂纹扩展长度，N为疲劳循环次数，ΔK为应力强度因子幅）（图2）。

图2 疲劳裂纹扩展速率与ΔK 的函数曲线

通过图片可以看出，有三个主要的曲线区域，Ⅰ区显示的是萌生阶段疲劳裂纹，当ΔK小于等于下限时，疲劳裂纹不会发生扩展。Ⅱ区显示的是，稳定扩展阶段的疲劳裂纹，呈现出了ΔK和疲劳裂纹扩展速率的线性关系。在这个阶段，可以对疲劳裂纹扩展进行预测，因此，这一阶段最重要。Ⅲ区显示的是，扩展高速率阶段的疲劳裂纹，当应力强度因子K，接近于KC 时，断裂就会瞬时发生。

研究人员还基于扩展有限元法，采用Maxps 准则作为损伤起始判据，利用 Abaqus 软件计算了TC18 合金标准紧凑拉伸（CT）件裂纹尖端损伤和扩展行为[3]。结果表明，裂纹沿垂直于加载力的方向扩展，属于典型的Ⅰ型(张开型)裂纹扩展；后期裂纹尖端前形成45°剪切微裂纹，即转为Ⅱ型(滑开型)裂纹扩展。

因此，为了解决疲劳裂纹扩展的问题，在二十世纪末，众多科学家对贝壳特殊强韧化原理进行参照，建立层合结构，以提升韧性，并将高韧性材料层加入到脆性材料中，对陶瓷基复合结构进行了制备。通过相互叠加韧性和脆性材料，就呈现和构造了层合结构。研究发现，层合结构的构建和完善，不仅使材料强韧性得到改变和优化，而且还能改变疲劳断裂行为界面。另外，经过一段时间的研究和发展，对扩散焊进行利用，对钛合金层合结构进行了制备，研究人员通过制备钛合金层和结构，研究了疲劳裂纹扩展受到连接界面的影响过程。最终发现，疲劳裂纹沿厚度方向扩展的速率，在连接界面与基材微观结构差异下，得到了降低。并且在这个过程中，研究人员将未焊合区引入TC4 钛合金扩散焊层合结构中，以此延缓疲劳裂纹扩展，提高疲劳裂纹在扩展阶段的寿命。

为了更好地利用扩散焊制备钛合金层合结构，近年来，研究人员对扩散焊参数进行调控，如温度、压力等，研究了钛合金的扩散焊界面微观组织演化和力学性能，完成了TC4/Ti2AlNb 基合金等扩散焊工艺与机理的研究[4]。

在此研究过程中，研究人员还对扩散焊异种材料进行了研究。通过研究发现，连接异种材料，可以使各材料优势得以整合，在扩散焊异种材料的过程中，材料界面两侧合金元素相互扩散，在界面上形成过渡层，一般在几微米至几十微米，过渡层材料的成分与母材具有较大差异。

还有研究人员对扩散焊进行利用，对TC4/TA15 钛合金异质层合结构进行了制备(图3)，通过参数的控制，找出层间微观取向差异的α 相，通过研究发现其能够延缓疲劳裂纹扩展，也可增强层合结构拉伸性能，使其与合金母材拉伸性能相等。

图3 扩散焊制备TC4/TA15 合金异质层合结构疲劳裂纹扩展断面特征

因此，异种钛合金层合结构的合理设计，不仅使强韧特性得以提升，而且通过异质层材料，能够使断裂行为得到改变和优化。经过大量的研究，徐芳菲运用扩散焊技术，成功制备多层结构样件。而且在此过程中，还发现了薄壁窄筋中空结构，其作为一种轻量高强结构，最显著的优势就是气动外形好，结构容易设计，具有高温强韧性，全寿命成本低、模块化结构，容易检查维护等等，已经广泛应用于导弹舵面和翼面等结构件上[5]。

就层合结构的制备而言，目前钎焊或电子束焊制备超多层结构件技术，是较为成熟的技术，但是想要增加更多层数，也就会增加更多焊缝数，从而延长生产周期，并且无法有效保证焊缝质量。因此，徐芳菲提出多层结构局部扩散焊制备膜盒方法，制备出了质量和尺寸都十分优良的接头。

4 疲劳强度与寿命

目前，疲劳寿命评估方法有两种，一种是传统应力法，通过应力-寿命（S-N）曲线计算寿命；一种是评定应力缺口，对应变疲劳进行应用，以此来评估寿命。一般该材料的疲劳基线，为N 达到107 cyc，达到最大应力位。图4描绘了N 与应力幅之间的关系，并依据N，将疲劳破坏分为超低周、低周、高周和超高周。

图4 疲劳循环周次与施加应力幅的关系

一般来说，相较于母材，焊接接头抗拉强度更优良，但因接头韧性下降，或存在缺陷，导致其不如母材疲劳强度好。一般来说，给定循环应力，接头寿命一般比母材低20%，这是因为接头处留下了损伤或缺陷，集中了大量应力，从而萌发了裂纹疲劳，降低了疲劳性能。为了解决这一问题，通过研究和实践，在疲劳寿命降低后，通过适当热处理可以使焊接件的疲劳寿命得到提高。在扩散焊的应用中，实现了固态连接，同时在焊接过程中，可以自由选择是否辅助焊接，以此来添加中间层。因此，对钛合金进行扩散焊，能使接头恶化概率得到有效的降低，目前已经广泛应用了扩散焊钛合金构件。为了使这一结论得到验证，研究人员在950 ℃、3.5 MPa、2 h 的环境条件下，用扩散焊连接TC4 合金，有效提升了焊接接头拉伸强度，使其拥有相当于母材的拉伸强度。另外，通过扩散焊TC4 异种钛合金测试其低周疲劳载荷，结果显示，相较于普通热处理，扩散焊低周疲劳响应更弱（图5）。

图5 Ti550/TC4 合金扩散焊接头和疲劳性能

5 总结与展望

在本文中，主要对钛合金与其扩散焊的疲劳裂纹形核、扩展等内容进行了研究。通过研究可以看出，对扩散焊进行应用，制备钛合金层合结构，能够使疲劳裂纹的扩展速率得到降低，从而使合金高温塑性得到改善，在此基础上，对组织形态优化，改善扩散焊接头性能。同时，将中间层添加进扩散焊钛合金中，能够使原子充分扩散到母材和中间层接头处，通过调控微观结构，能够降低扩散焊钛合金疲劳裂纹扩展速率。另外，匹配层合材料的脆性层和韧性层，不仅影响拉伸变形应力，也会对疲劳裂纹扩展速率产生影响。因此，在应用的过程中，不能只考虑层合结构单一性能，还要综合衡量力学性能，如强韧性等。就此而言，想要降低成本和综合力学性能，对优异层合结构进行制备，仍然需要进一步深入研究。