超高强钛合金疲劳行为研究进展

袁天经,张欣蔚,景家瑞,吴小文,樊亚龙,赖敏杰,李金山

（西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072）

　　摘要：超高强钛合金具有高比强度、高淬透性、耐损伤和优异的耐蚀性等优点，被广泛应用于飞机起落架、机身框架和紧固件等高强度结构件的制备。在实际服役过程中，这些构件常常在循环载荷的作用下发生疲劳失效，因此深入研究超高强钛合金的疲劳失效规律和失效机理，既具有重要的科学意义，又能对实际工程应用提供指导。本研究综述了目前关于超高强钛合金疲劳行为的研究，并探讨了经变形及热处理调控的微观组织对合金疲劳损伤机制的影响。具体关注了在双态和全片层组织中，α相的取向体积分数、尺寸和分布等特征参量对合金在疲劳裂纹萌生和扩展两个阶段内的变形行为损伤模式的作用机理。此外，还关注了超高强钛合金的疲劳性能强化手段，并对未来超高强钛合金疲劳研究方向进行了展望。

　　关键词：超高强钛合金;疲劳行为;微观组织;裂纹萌生;裂纹扩展

　　文中主要图表

　　（序号为文中序号）

图1 Ti-1023直升机桨毂中央件失效案例

图2 Ti-5551合金中的裂纹萌生位置

图3经超高周疲劳加载后TC17钛合金中αp的KAM图

图4β-CEZ合金中的裂纹萌生位置

图5 Ti-22V-4Al合金裂纹萌生处的刻面

图6 TC17钛合金裂纹扩展初期的倾斜刻面团簇

图7 Ti-55511合金中αp上的疲劳条纹

图8β-C合金中的裂纹扩展路径

图9 TB6钛合金疲劳小裂纹的扩展过程

　　结论

　　本研究对超高强钛合金疲劳行为的相关研究，尤其是对疲劳裂纹萌生机制的研究进行了综述，并总结如下：

　　（1）等轴初生α相、针状次生α相或片层状次生α相均可对疲劳裂纹萌生机制产生重要影响。

　　（2）当初生α相的体积分数较高时，疲劳裂纹通常在初生α相中萌生；当初生α相的体积分数较低时，粗大的α片层集束和晶界α相也常成为裂纹萌生位置。

　　（3）当大量的细小针状次生α相弥散分布于β基体时，裂纹萌生转而受β晶粒影响。

　　（4）在疲劳裂纹扩展过程中，裂纹扩展路径受微观组织的影响，并且只有与裂纹*塑性区尺寸相当的微观组织才会对裂纹扩展路径产生明显的影响。通常情况下，裂纹扩展路径越曲折则裂纹扩展寿命越长。

　　（5）通过合理的表面强化工艺处理一般可以有效提升超高强钛合金的疲劳性能，其作用机理通常是在表面层引入压应力，以抵消一部分疲劳加载时的拉应力；或提高裂纹闭合程度，从而降低裂纹扩展速率。但不合理的表面强化工艺则会恶化疲劳性能。

　　目前关于超高强钛合金裂纹萌生行为的研究大多仍局限在现象描述上，缺少对其主导微观机制和多种机制竞争关系的深入讨论，对于亚表面裂纹萌生等特殊现象，也尚未出现可以被广泛接受的解释。此外，由于超高强钛合金中αp体积分数较小以及αs相细小且均匀弥散分布，因此需要研究β相以及α/β界面的位错传递在裂纹萌生中的作用。在探究工艺和组织对超高强钛合金疲劳性能影响的工作中，应从微观机制的角度寻找起本质作用的微观因素，并关注微观组织和疲劳性能之间定量关系的建立，以便准确预测超高强钛合金的疲劳行为。