发布日期：2025-2-9 10:20:53
钛及钛合金因具有密度小、耐热性好、比强度高等优点,在航空航天、石油化工、生物医学等领域得到广泛应用,尤其在飞机减重、改善性能方面发挥着日益重要的作用[1-3]。
TA15钛合金是一种高铝当量的近α型钛合金,成分为Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V[4]。该合金既具有α型和α＋β型钛合金的许多优点,又具有中等的室温强度、高温强度,以及良好的热稳定性和焊接性能[5],其在航空领域多采用机械加工、焊接、钣金成形等工艺,用于框、梁、壁板类、蒙皮类零件的制造。对于复杂壁板类零件,确保原材料具有强度、塑性相匹配的综合力学性能是其加工成形的关键。作为金属材料力学性能的重要指标,弯曲性能对于评价材料塑性成形能力有着重要意义,被广泛应用于原材料的性能检测。
TA15钛合金板材在弯曲变形过程中弯折外侧受到拉应力,弯折内侧受到压应力,在拉、压应力共同作用下发生弹性和塑性变形,当塑性变形阶段的变形量超出板材自身塑性所能承受的最大延伸量时,板材将不可避免地发生开裂。钛合金板材在成形过程中,材料本身的微观组织和这些微观组织在变形过程中的变化决定了材料的成形性能[6]。TA15合金对热处理强化不敏感,因此只能对其进行退火处理[７],退火后的组织为初生等轴α＋β转变片层组织,其本身具有良好的综合力学性能。而TA15钛板在弯曲变形过程中,总是在接触弯芯处(曲率半径最大)的外表面承受最大拉应力,若此处表面存在尖锐或较深划痕、硬脆α污染层等表面缺陷,则更容易在缺陷处形成预制裂纹源,进而引起开裂。本文中研究不同表面处理工艺对TA15钛合金板材弯曲性能的影响,通过对比分析以及极限弯曲性能试验,确定最佳的表面处理工艺。
1、试验材料及方法
弯曲试样使用的材料是退火状态下的TA15钛合金板材,厚度为5mm,宽度为15mm,取样方向为横向(垂直于轧制方向)。钛合金板材表面处理主要采用机械处理法、化学处理法、激光处理法等[8]。为探索不同表面处理工艺对板材弯曲性能的影响,本文中对弯曲试样进行了不同工艺的表面处理,弯曲试样形貌如图1所示。其中,抛光处理使用120＃千叶轮手工进行;酸洗处理使用含30％~40％(体积分数)硝酸与3％~7％(体积分数)氢氟酸的溶液,整体减薄0.06~0.08mm。
为研究不同表面处理工艺对板材弯曲性能的影响,分别开展下列试验。
(1)粗糙度检测:使用TR100Ａ型粗糙度测量仪对不同表面处理工艺下的试样进行粗糙度测量,并对测量结果进行对比分析。
(2)表面微观形貌SEM观测:利用扫描电镜对板材试样表面的微观形貌进行观测,深入分析不同处理工艺对板材表面的影响。
(3)极限弯曲试验:开展极限弯曲试验,不断增大弯曲角直至试样开裂,研究不同表面处理工艺对板材弯曲性能的影响。
2、试验结果与分析
2.1 粗糙度测量结果分析
使用TR100Ａ型粗糙度测量仪对不同表面处理工艺下的试样进行粗糙度(Ra)检测,结果如图2所示。
经表面处理后,板材表面粗糙度值均出现了减小的现象,这是因为采用机械或者化学抛光的方法可以使板材表面平坦化,从而提高板面的光洁度。对各种表面粗糙度变化情况分析如下:
(1)原始表面。原始表面粗糙度测量平均值为0.81μm,这表明其表面平滑程度并不理想。观察散点分布图(见图2)后可知,原始表面粗糙度实测值分散现象明显,表面微观形貌的一致性较差,这易导致板材弯曲时表面受力不均,对弯曲性能产生不利影响。
(2)120＃千叶轮抛光(手工)处理。采用120＃千叶轮抛光后,板材表面呈现出明显的方向性,如图1所示。经测量,在垂直于抛光方向上,板材的粗糙度值较原始表面变化不明显,但在平行于抛光方向上,粗糙度值减小了64.2％。虽然粗糙度值总体呈减小趋势,但表面的各向异性并不利于板材弯曲性能的提升。观察散点分布图(见图2)后可知,抛光后,无论在垂直抛光方向还是平行抛光方向上,板材的粗糙度值均较为分散,其主要原因是手工抛光在抛光面积、抛光力度等方面的一致性较差,板材表面存在高低起伏的微观形貌。
(3)酸洗减薄处理。采用酸洗减薄处理后,板材表面质量显著提高,表面粗糙度值较原始表面的粗糙度值下降了66.7％。同时,板材表面没有出现明显的方向性,粗糙度值分布更为集中,表面微观形貌的一致性得到了明显提升。
(4)120＃千叶轮抛光＋酸洗减薄处理。采用120＃千叶轮抛光＋酸洗减薄处理后,板材粗糙度值较原始表面的粗糙度值下降了84％,表面质量提升效果明显。由于采用了酸洗工序,抛光后板材表面的方向性痕迹得以消除。而与单一的表面处理工艺相比,先机械抛光再酸洗化学抛光的联合工艺对板材表面微观形貌一致性的提升效果更明显,同时,联合工艺对提升板材弯曲性能有着重要意义。
2.2 表面微观形貌分析
为进一步直观地了解不同表面处理工艺下板材试样的表面形貌特征,使用SEM电镜对试样表面进行了观测分析,结果如图3所示。
从图3中可以看出,试样在不同的表面处理工艺下呈现出各具特征的表面形貌:①原始表面微观形貌高低起伏较大,呈现出不规则的凹坑;②120＃千叶轮抛光表面沿抛光方向呈现出规则的平行抛光纹路,虽然表面得到了有效平整,但呈现出明显的方向性,且可以观察到磨料颗粒切削表面后留下的划痕;③与原始表面相比,酸洗表面出现了明显的平坦化特征,原始表面的凹坑和划痕等高低起伏较大处被明显钝化;④120＃千叶轮抛光＋酸洗表面最为平整,得到了较为完全的钝化。从以上形貌特征中可以看出,板材原始表面大量不规则的凹坑以及机械抛光造成的较深划痕都容易在板材弯曲受力时形成潜在裂纹源,造成板材过早发生开裂。而酸洗腐蚀对表面凹坑、划痕的钝化和消除起到了明显的作用。采用120＃千叶轮抛光＋酸洗联合工艺时,机械抛光可以对表面微观形貌进行平整,再加上之后酸洗对表面微观形貌一致性的进一步提升,可以有效消除微观潜在裂纹源,降低板材因表面质量问题而过早发生开裂的风险,有效提高板材的弯曲性能。
2.3 极限弯曲试验结果分析
为了验证前述观测分析结论,对不同表面状态下的试样进行极限弯曲试验。按相关标准要求,设定弯芯直径为15mm,弯曲角为30°。对于弯曲至30°时仍未开裂的试样,继续增大弯曲角直至开裂为止。弯曲后的试样如图4所示,弯曲结果统计如图5所示。
在弯曲改善效果方面,千叶轮抛光处理后板材表面光洁度虽有提高,但由于存在明显的抛光痕迹,且弯曲方向平行于抛光方向,导致弯曲性能并没有显著提升,粗糙度值较为分散,稳定性较差;酸洗处理后板材表面光洁度提高的同时,弯曲性能也得到一定的提升,极限弯曲角稳定在45°~4９°;采用抛光＋酸洗联合工艺处理后的试样,表面光洁度和弯曲性能均大幅提升,极限弯曲角较原始表面提高了54.2９％~60.61％。对弯曲试样开裂断口进行ＳＥＭ电子显微镜观察,断口形貌如图6所示。从图6(ａ)中可以看出,裂纹起源于试样表面(红色箭头指向),断口较为平整。从图6(ｂ1)和(ｂ2)中可以看出,近表层断口韧窝浅而大、数量较少,表现为韧性及准解理断裂相混合[９],这与板材表层在弯曲变形过程中的受力情况有关,板材在弯折处外表面承受最大拉应力,弯折过程中表面塑性变形量最大,变形硬化效应最为强烈。从图6(ｃ1)和(ｃ2)中可以看出,与表层断口韧窝相比,中心层断口韧窝数量多、尺寸小,板材中心层断裂类型为典型的韧性断裂。在板材中心层处,由于拉、压应力的平衡和制约,板材塑性变形量较小,变形硬化效应相对较弱,断裂过程符合一般板材弯曲变形的力学和几何特点。
以上弯曲试验结果进一步验证了上文中对板材表面观测及粗糙度检测后所得出的结论:在板材化学成分、内部组织、力学性能一致的前提下,其表面微观形貌的一致性对板材弯曲性能有较大影响,其中酸洗工艺起到了重要作用,而先机械抛光再酸洗化学抛光的联合工艺对板材表面微观形貌的改善效果明显。
3、结论
(1)造成TA15板材试样弯曲开裂的微观机制如下:板材表面存在未钝化的微观凹坑和较深划痕,在表面拉应力的作用下,这些凹坑和划痕易形成裂纹源;随着弯曲角逐渐增大,裂纹扩展,直至板材失稳断裂。
(2)120＃千叶轮抛光(手工)对板面平整有明显作用,宏观上提高了板材表面光洁度,但磨料切削造成板材部分表面存在较深划痕以及方向性磨削痕迹,亦能形成潜在裂纹源,故单纯抛光处理不能稳定提高板材弯曲性能。
(3)酸洗工艺对改善板材微观表面形貌、钝化表面凹坑和深划痕效果显著。120＃千叶轮抛光＋酸洗联合工艺兼具机械抛光和化学抛光的优点,可以显著、稳定地提高板材弯曲性能。
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