從車削加工殘余應(yīng)力到熱振復(fù)合調(diào)控的TC21鈦合金全鏈條應(yīng)力管理：250~600℃寬溫域內(nèi)殘余應(yīng)力降低率溫度依賴性、隨爐冷卻工藝穩(wěn)定性及航空精密構(gòu)件服役可靠性提升策略

鈦合金因具有高比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的力學(xué)性能，已成為航空、航天領(lǐng)域關(guān)鍵承力構(gòu)件制造的重要材料。飛機(jī)起落架需要長期承受極端復(fù)雜的運(yùn)行工況，飛機(jī)降落/起飛階段起落架裝置需要面臨巨大的荷載沖擊，同時(shí)伴隨著高頻次的交變振動(dòng)作用。鈦合金因具有高強(qiáng)度、低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性能以及較高的力學(xué)穩(wěn)定性，其已成為我國航空、航天領(lǐng)域高端裝備的核心結(jié)構(gòu)材料，在極端服役環(huán)境中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用[1-6]。對(duì)于TC21鈦合金材料而言，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)到1100~1200MPa，疲勞極限(107周次)可達(dá)600MPa，兼具高斷裂韌性和優(yōu)異的抗疲勞性能，可在復(fù)雜多變的溫度區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定服役，因此被廣泛應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域的高精密、高強(qiáng)度裝備制造[7-9]。然而，TC21鈦合金在焊接、減材制造、鍛造等加工過程中，容易受加工溫度梯度、交變荷載和相變的影響，表面缺口敏感性高且易發(fā)生疲勞失效，這將嚴(yán)重制約其在極端復(fù)雜工況環(huán)境下的應(yīng)用潛力[10-13]。

熱振復(fù)合處理的工作原理是通過熱處理降低材料的屈服強(qiáng)度，進(jìn)而促進(jìn)材料內(nèi)部的原子擴(kuò)散，再輔以振動(dòng)時(shí)效處理來引發(fā)材料發(fā)生微觀塑性變化，以此實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的有效釋放和微觀組織再次優(yōu)化，最終提升材料的力學(xué)性能與服役強(qiáng)度。國內(nèi)外學(xué)者圍繞熱振復(fù)合處理的工藝參數(shù)、作用機(jī)制和性能調(diào)控等方向展開研究，并形成了一系列成果[14-19]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用熱振復(fù)合時(shí)效對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力消除，發(fā)現(xiàn)熱振復(fù)合時(shí)效能夠有效降低材料的屈服強(qiáng)度和固有頻率[20-21]。中南大學(xué)李美春采用熱振時(shí)效工藝研究 6061 鋁合金中厚板殘余應(yīng)力的均化效果，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度達(dá)到其時(shí)效強(qiáng)化范圍時(shí)再進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，可以同時(shí)達(dá)到強(qiáng)化和應(yīng)力均化效果[22]。劉曉霏等人設(shè)計(jì)出熱振復(fù)合應(yīng)力調(diào)控裝置樣機(jī)，采用盲孔法進(jìn)行應(yīng)力檢測，研究表明樣件的應(yīng)力值得到有效控制，其可在鋁合金材料加工領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[23]。北京科技大學(xué)利用熱振復(fù)合時(shí)效技術(shù)對(duì) SLM-AlSi10Mg 合金殘余應(yīng)力和力學(xué)性能進(jìn)行深度研究，結(jié)果表明振動(dòng)時(shí)效處理是通過動(dòng)態(tài)應(yīng)力和殘余應(yīng)力的疊加，從而促進(jìn)微觀應(yīng)變并增加位錯(cuò)密度[24]。北京航空航天大學(xué)采用熱應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力結(jié)合方式進(jìn)行殘余應(yīng)力消除試驗(yàn)，結(jié)果表明熱振時(shí)效和熱時(shí)效均能消除 Ti6Al4V 材料殘余應(yīng)力的 90%以上，而熱振時(shí)效的消除效率是熱時(shí)效的 4.2 倍[25]。

已有研究表明，熱振復(fù)合處理在鋁合金、鈦合金及增材制造殘余應(yīng)力調(diào)控等方面具有很大的應(yīng)用潛力。對(duì)于TC21鈦合金而言，其研究大多集中在熱處理、組織性能、疲勞斷裂及焊接殘余應(yīng)力等方向;不同溫度條件下，熱振復(fù)合處理對(duì)TC21鈦合金殘余應(yīng)力演化規(guī)律及斷口形貌特征研究相對(duì)有限。因此，本文以TC21鈦合金構(gòu)件為研究對(duì)象，利用自主搭建的殘余應(yīng)力調(diào)控設(shè)備開展不同溫度條件下的熱振復(fù)合處理試驗(yàn)，重點(diǎn)研究熱振復(fù)合處理對(duì)其軸向殘余應(yīng)力變化規(guī)律的影響，并結(jié)合斷口形貌分析討論其斷裂行為特征，以期為TC21鈦合金構(gòu)件殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)提供理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)與方法

1.1試驗(yàn)材料

試樣均由同一批次的 TC21鈦合金材料車削加工而成，試樣的結(jié)構(gòu)如圖1所示，零件中部截面部分直徑為7.5mm，零件的總長度為100mm。TC21鈦合金屬于典型的α+β型高強(qiáng)鈦合金，其具有優(yōu)異的韌性及抗疲勞性能，被廣泛應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域關(guān)鍵承力構(gòu)件加工制造中，例如飛機(jī)起落架、機(jī)身框架、機(jī)翼承載等零件。所有TC21鈦合金試樣均采用相同的加工工藝和裝夾方式進(jìn)行制備，加工后對(duì)所有試樣的外觀、關(guān)鍵尺寸及表面狀態(tài)進(jìn)行了檢查，以此保證試樣之間的加工一致性。殘余應(yīng)力測試位置位于試樣中部的等直徑區(qū)域，測試點(diǎn)位于試樣中心對(duì)稱處，主要觀測不同熱振復(fù)合處理溫度條件下的軸向殘余應(yīng)力變化規(guī)律。因此，在試樣幾何尺寸和表面狀態(tài)基本一致的前提下，車削加工精度差異對(duì)殘余應(yīng)力變化趨勢的影響較小。

該TC21鈦合金包括合金元素及微量雜質(zhì)元素，主要元素與雜質(zhì)元素含量見表1。TC21作為一種典型的α+β型高強(qiáng)鈦合金，其合金中的Al元素起到穩(wěn)定α相、增大材料強(qiáng)度作用，Mo、Nb、Cr等元素能夠幫助改善材料的淬透性。此外，Zr元素可提高合金材料的組織穩(wěn)定性并改善其力學(xué)性能。與此同時(shí)，少量雜質(zhì)元素例如Fe、C、N、O等，這些元素雖然含量較低，但對(duì)材料性能具有顯著的影響。因此，對(duì)TC21鈦合金中主要元素及雜質(zhì)元素的含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，可進(jìn)一步保證材料性能的穩(wěn)定性與可靠性。

表1 TC21鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

1.2熱振復(fù)合殘余應(yīng)力調(diào)控設(shè)備

本研究采用自主搭建的熱振復(fù)合殘余應(yīng)力調(diào)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)TC21鈦合金構(gòu)件的熱振復(fù)合處理。該調(diào)控設(shè)備主要由加熱系統(tǒng)、振動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及專用夾具等組成，設(shè)備工作原理如圖2所示，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

熱振復(fù)合處理的工作原理是使零件處于熱溫度場環(huán)境中，同步對(duì)其施加交變應(yīng)力載荷，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的熱-振協(xié)同調(diào)控，最終促使零件內(nèi)部殘余應(yīng)力得以釋放。熱振復(fù)合處理設(shè)備在工作時(shí)，爐腔內(nèi)部設(shè)置的熱電偶元件可實(shí)時(shí)采集內(nèi)部溫度，進(jìn)而輸出信號(hào)至溫度控制器;振動(dòng)控制器亦接收振動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)熱溫度場與振動(dòng)應(yīng)變場的協(xié)同控制，最終完成零件熱-振復(fù)合殘余應(yīng)力調(diào)控。

熱振復(fù)合殘余應(yīng)力調(diào)控設(shè)備內(nèi)部的振動(dòng)板為異型結(jié)構(gòu)，振動(dòng)板上方用于放置夾具、工件等，夾具與工件采用螺栓固定方式卡緊，以便于將振動(dòng)載荷有效傳遞至工件。振動(dòng)板從調(diào)控設(shè)備側(cè)面穿出，振動(dòng)電機(jī)則裝夾在調(diào)控設(shè)備右側(cè)面，用以避免高溫對(duì)振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生破壞。振動(dòng)板底部設(shè)置有彈性支撐裝置，由于高頻振動(dòng)時(shí)其會(huì)承受較高的周期性交變應(yīng)力載荷，可設(shè)置此結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步提升調(diào)控設(shè)備的支撐穩(wěn)定性。

如圖4所示，熱振復(fù)合處理設(shè)備的爐腔內(nèi)部主要包括振動(dòng)板、夾具、加熱絲及軸流風(fēng)機(jī)等部件。其中，軸流風(fēng)機(jī)可用于強(qiáng)化爐腔內(nèi)部空氣循環(huán)，用以提高設(shè)備爐腔內(nèi)部的溫度場均勻性。夾具固定在設(shè)備內(nèi)部振動(dòng)板上方，利用螺栓將TC21鈦合金固定在夾具上，以此保證電機(jī)激振力能夠有效傳遞至零件。熱振復(fù)合調(diào)控設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)熱溫度場與振動(dòng)場的耦合作用，最終可為TC21鈦合金殘余應(yīng)力的有效調(diào)控提供技術(shù)支持。

熱振復(fù)合處理設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)如下:溫度控制范圍為25~600℃，測試區(qū)域尺寸為1100mm×950mm×900mm，溫度控制精度優(yōu)于±3℃，升溫速率≥10℃/min。本文所采用的激振器型號(hào)為SIGZ110-2，其具體技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 激振器設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文利用熱振復(fù)合處理方法對(duì)TC21鈦合金試樣進(jìn)行熱振試驗(yàn)，為重點(diǎn)探究熱處理溫度對(duì)試樣軸向殘余應(yīng)力的調(diào)控效果，試驗(yàn)中將振動(dòng)頻率統(tǒng)一設(shè)置為固定值，所有的鈦合金試樣均采用相同的三階段振動(dòng)工藝，即轉(zhuǎn)速分別為2800、5200、5600r/min，對(duì)應(yīng)電機(jī)振動(dòng)頻率分別為46.67、86.67、93.33Hz。所有振動(dòng)時(shí)效均采用三階振動(dòng)形式，需要在試驗(yàn)真正啟動(dòng)前，利用加速度傳感器對(duì)振動(dòng)板進(jìn)行掃頻測試，以精準(zhǔn)獲取振動(dòng)板的三階最大固有頻率，并以此作為后續(xù)振動(dòng)時(shí)效處理的核心參數(shù)。采用共振頻率作為工作頻率是由于當(dāng)激振頻率接近振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率時(shí)，系統(tǒng)可產(chǎn)生較大的振動(dòng)響應(yīng)，從而使能量更充分地傳遞至TC21鈦合金試樣。相比于設(shè)置不同振動(dòng)頻率數(shù)值，共振頻率條件下更有利于熱振復(fù)合過程的動(dòng)態(tài)力傳遞作用。本文所設(shè)置的振動(dòng)頻率參數(shù)并非隨意設(shè)置，而是基于掃頻測試結(jié)果確定的共振參數(shù)。

熱振復(fù)合處理工藝溫度設(shè)置為250、300、400、600℃，所有冷卻方式均為隨爐冷卻，所有保溫時(shí)間均設(shè)置為3h，采用此冷卻方式可有效保證溫度的均勻下降，以此避免因降溫速率過快而使零件產(chǎn)生新的附加應(yīng)力。本試驗(yàn)并不是簡單的先熱后振分步處理，而是熱溫度場與交變載荷振動(dòng)場的同步協(xié)同，試驗(yàn)過程中需要確保熱溫度與振動(dòng)時(shí)效能量始終共同作用于TC21鈦合金零件。通過加速度傳感器掃頻得出的三階最大固有頻率，并以此作為振動(dòng)時(shí)效工作頻率，三種工作頻率分別持續(xù)振動(dòng)10min，單個(gè)零件總振動(dòng)時(shí)長為30min。采用三階協(xié)同振動(dòng)方式，可有效消除TC21鈦合金內(nèi)部不同程度的殘余應(yīng)力。然而，單一頻率對(duì)殘余應(yīng)力的消除不徹底，采用三種不同振動(dòng)頻率的應(yīng)力消除方式，能夠顯著提升零件殘余應(yīng)力調(diào)控的均勻性，最終為TC21鈦合金力學(xué)性能的優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

為評(píng)估熱振復(fù)合應(yīng)力調(diào)控設(shè)備對(duì)TC21鈦合金殘余應(yīng)力的調(diào)控效果，進(jìn)行零件初始及熱振復(fù)合調(diào)控后殘余應(yīng)力的測試，測試設(shè)備為X射線殘余應(yīng)力測試儀，測試過程嚴(yán)格遵循《GB/T7704-2017無損檢測X射線應(yīng)力測定方法》國家標(biāo)準(zhǔn)，該測試方法基于X射線衍射原理并具備極高測試精度與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，能夠精準(zhǔn)捕捉零件表面與近表層面的殘余應(yīng)力。同時(shí)，X射線殘余應(yīng)力測試方法屬于無損檢測，應(yīng)力測試過程中不需要對(duì)TC21鈦合金進(jìn)行破壞處理，能夠在不損傷零件表面完整性和不影響其力學(xué)性能的前提下，完成殘余應(yīng)力精準(zhǔn)檢測，可為殘余應(yīng)力調(diào)控效果對(duì)比分析提供可靠的技術(shù)支撐。

殘余應(yīng)力測試點(diǎn)位于TC21鈦合金中部截面部分，主要對(duì)其軸向殘余應(yīng)力進(jìn)行測試，并以此反映零件中部截面區(qū)域的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。測試點(diǎn)共有2處，選取零件中間截面任一位置作為測試點(diǎn)1，而該截面部分且與測試點(diǎn)1相對(duì)的背部位置為測試點(diǎn)2，兩點(diǎn)在圓周方向的角度為180°，兩點(diǎn)對(duì)稱分布，進(jìn)一步探究中部截面部分殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，可為分析熱振復(fù)合處理對(duì)應(yīng)力的均化效果提供可靠支撐。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1殘余應(yīng)力分析

對(duì)TC21鈦合金零件進(jìn)行多次應(yīng)力調(diào)控驗(yàn)證，工藝路線為"加熱-保溫-振動(dòng)-爐冷"，熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效相互耦合同步進(jìn)行，整個(gè)試驗(yàn)過程均在熱振復(fù)合殘余應(yīng)力調(diào)控設(shè)備中進(jìn)行，以此確保TC21鈦合金的應(yīng)力調(diào)控準(zhǔn)確性。在TC21鈦合金熱振復(fù)合處理前后殘余應(yīng)力測試過程中，每一個(gè)樣件均測試其軸向殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，且每個(gè)零件均測試兩個(gè)點(diǎn)位，選取點(diǎn)位1為TC21鈦合金零件中間截面任意一點(diǎn)，則點(diǎn)位2為點(diǎn)位1的垂直方向的另一面點(diǎn)位，每1個(gè)測試點(diǎn)均測試2次數(shù)據(jù)并取平均值，共設(shè)置4個(gè)工藝階段，分別為250℃×3h隨爐冷卻×30min振動(dòng)、300℃×3h隨爐冷卻×30min振動(dòng)、400℃×3h隨爐冷卻×30min振動(dòng)、600℃×3h隨爐冷卻×30min振動(dòng)。

如圖5所示，本文共進(jìn)行了4組不同溫度條件下的熱振復(fù)合處理試驗(yàn)，熱處理溫度分別為250、300、400、600℃，除熱時(shí)效溫度不同，各組試樣的保溫時(shí)間、冷卻方式、振動(dòng)頻率與振動(dòng)時(shí)長均保持一致。由于所有試樣均由同一批次TC21鈦合金經(jīng)相同車削工藝加工制備而成，初始?xì)堄鄳?yīng)力狀態(tài)具有一定的一致性。受試驗(yàn)條件限制，本文只測試了前5個(gè)TC21鈦合金零件的初始?xì)堄鄳?yīng)力數(shù)據(jù)，用以表征該批試樣的初始?xì)堄鄳?yīng)力水平。同時(shí)，對(duì)所有鈦合金試樣進(jìn)行了熱振處理后的殘余應(yīng)力測試，用以分析不同溫度條件下的殘余應(yīng)力演化規(guī)律。

測試結(jié)果表明，TC21鈦合金試樣經(jīng)熱振復(fù)合處理后，其軸向殘余應(yīng)力整體處于較高的壓應(yīng)力狀態(tài)，前5件試樣的初始?xì)堄鄳?yīng)力平均值為-519.6MPa。經(jīng)過不同溫度條件下的熱振復(fù)合處理后，試樣軸向殘余應(yīng)力絕對(duì)值均較初始參考值出現(xiàn)不同程度降低。其中，250℃工藝階段熱振后殘余應(yīng)力數(shù)值為-361.8MPa，300℃工藝階段熱振后殘余應(yīng)力數(shù)值為-448.2MPa，400℃工藝階段熱振后殘余應(yīng)力數(shù)值為-253.6MPa，600℃工藝階段熱振后殘余應(yīng)力數(shù)值為-94.8MPa。從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，隨著處理溫度的升高，TC21鈦合金試樣表面的軸向殘余應(yīng)力呈降低趨勢，這表明熱振復(fù)合處理溫度的提高能夠進(jìn)一步促進(jìn)零件殘余應(yīng)力的釋放。300℃組處理后的殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值高于250℃組，表現(xiàn)出一定波動(dòng)性。這可能與試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力狀態(tài)、局部加工以及X射線測試的表面狀態(tài)有關(guān)。經(jīng)機(jī)械加工后TC21鈦合金表面殘余應(yīng)力具有不均勻性，單一溫度組測試結(jié)果將受局部應(yīng)力集中與測試點(diǎn)差異的影響。300℃組出現(xiàn)較高殘余應(yīng)力不代表熱振復(fù)合處理失效，而是能夠反映出測試結(jié)果受試樣初始?xì)堄鄳?yīng)力狀態(tài)與局部應(yīng)力分布影響。

為表征不同溫度下熱振復(fù)合處理對(duì)TC21鈦合金零件軸向殘余應(yīng)力的調(diào)控效果，本文以同批次試樣中前5件初始軸向殘余應(yīng)力平均值作為初始參考值，參考值為-519.6MPa，以此計(jì)算不同溫度處理后的殘余應(yīng)力降低率。殘余應(yīng)力降低率按式(1)進(jìn)行計(jì)算:

式中： σ 0 為同批次試樣熱振處理前軸向殘余應(yīng)力平均值，MPa； σ t 為不同溫度下熱振復(fù)合處理后的軸向殘余應(yīng)力平均值，MPa； η為殘余應(yīng)力降低率。

如圖6所示，不同溫度條件下熱振復(fù)合處理后軸向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)明顯變化趨勢。250℃、300℃和400℃條件下的殘余應(yīng)力降低率分別為30.4%、13.7%和51.2%，其中，600℃條件下殘余應(yīng)力降低最為顯著，應(yīng)力降低率高達(dá)81.8%。

2.2硬度變化分析

為進(jìn)一步分析熱振復(fù)合處理對(duì)TC21鈦合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，采用維氏硬度測試法(HV0.5)對(duì)原始態(tài)與600℃熱振態(tài)零件進(jìn)行硬度測試與對(duì)比分析，其測試結(jié)果見表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出，原始態(tài)試樣的維氏硬度平均值為365.6HV0.5，而經(jīng)600℃熱振復(fù)合處理后，試樣硬度下降至350.0HV0.5，整體呈現(xiàn)出一定幅度的降低趨勢，降幅約為4%~5%。

熱振復(fù)合處理不但能夠有效釋放TC21鈦合金內(nèi)部殘余應(yīng)力，而且溫度的不斷升高會(huì)使零件內(nèi)部原子發(fā)生擴(kuò)散，對(duì)其內(nèi)部組織造成重排布，這也是導(dǎo)致零件硬度下降的原因。從表3維氏硬度測試結(jié)果來看，熱振態(tài)與原始態(tài)的數(shù)據(jù)離散性明顯不同，熱振態(tài)則表現(xiàn)出更為優(yōu)異的數(shù)據(jù)均勻性，這表明熱振復(fù)合處理工藝在降低殘余應(yīng)力的同時(shí)，還可進(jìn)一步提升應(yīng)力的分布均勻性。此效果可以讓鈦合金零件使用更穩(wěn)定并不易變形，同時(shí)其力學(xué)性能更為優(yōu)異，能夠在復(fù)雜交變受力情況下長期穩(wěn)定使用。

本文僅對(duì)原始態(tài)與600℃熱振態(tài)零件進(jìn)行了硬度測試對(duì)比，尚未系統(tǒng)比較不同溫度條件下的硬度變化規(guī)律，因此硬度結(jié)果主要用于輔助說明熱振復(fù)合處理對(duì)TC21鈦合金材料表面力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。

表3 TC21鈦合金原始態(tài)與600℃熱振復(fù)合處理態(tài)的維氏硬度

2.3斷口形貌分析

由于原始態(tài)試樣未進(jìn)行斷口形貌采集，本研究主要針對(duì)熱振復(fù)合處理后試樣進(jìn)行SEM形貌觀測，用以分析零件的微觀斷裂特征及損傷機(jī)制。結(jié)合前述殘余應(yīng)力的測試結(jié)果可知，在三階段振動(dòng)參數(shù)條件下，600℃熱振復(fù)合處理后的試樣軸向殘余應(yīng)力降低率最大，試樣殘余應(yīng)力平均值由同批次初始參考值-519.6MPa降低至-94.8MPa，具有非常優(yōu)異的殘余應(yīng)力調(diào)控效果。因此，本文選取600℃熱振復(fù)合處理后的疲勞試樣作為代表性樣品進(jìn)行SEM形貌觀測，用以分析較高溫度熱振復(fù)合處理后鈦合金試樣的斷裂行為。本文未系統(tǒng)比較不同熱振溫度下的試樣斷口形貌差異，主要反映600℃熱振復(fù)合處理后疲勞試樣的斷裂特征。

斷口形貌如圖7所示，在低倍形貌圖中可以發(fā)現(xiàn)斷口整體呈現(xiàn)出顯著的粗糙特征，內(nèi)部存在清晰的臺(tái)階狀斷裂單元，表明裂紋擴(kuò)展過程能夠沿特定方向優(yōu)先生長;斷口形貌存在表層向內(nèi)部不斷擴(kuò)展的趨勢，這表明零件存在裂紋萌生與擴(kuò)展，最終發(fā)生瞬時(shí)性斷裂(圖7a)。在中倍形貌下斷口表面呈現(xiàn)臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，并伴隨著局部裂紋出現(xiàn)，表現(xiàn)出一定的準(zhǔn)解理斷裂特征。裂紋在擴(kuò)展過程中呈現(xiàn)出一定的方向性，同時(shí)伴隨局部塑性變形發(fā)生(圖7b、圖7c)。高倍形貌下可以觀察到明顯的韌窩及撕裂棱結(jié)構(gòu)，這表明零件在斷裂過程中發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，而且韌窩分布不均勻且斷裂面交替出現(xiàn)(圖7d)。綜合分析表明，TC21鈦合金在溫度600℃、保溫時(shí)長3h和三階振動(dòng)30min的熱振復(fù)合處理過程，其斷裂行為以準(zhǔn)解理斷裂為主，并伴有局部韌性斷裂。

斷裂特征與熱振復(fù)合處理過程中殘余應(yīng)力再分布密切相關(guān)，熱振復(fù)合處理改變了材料表層殘余應(yīng)力狀態(tài)及微觀組織，最終影響了裂紋萌生及拓展路徑。然而，在600℃條件下，零件材料局部組織的穩(wěn)定性將發(fā)生變化，在循環(huán)交變應(yīng)力載荷作用下會(huì)形成局部應(yīng)力集中，這將促進(jìn)材料內(nèi)部裂紋萌生與擴(kuò)展。斷口中同時(shí)存在準(zhǔn)解理特征和韌窩，這說明零件在斷裂過程中既發(fā)生了脆性擴(kuò)展，同時(shí)也伴隨塑性變形。上述結(jié)果表明，熱振復(fù)合處理通過調(diào)控殘余應(yīng)力分布狀態(tài)及微觀組織特征，對(duì)TC21鈦合金的斷裂擴(kuò)展行為具有一定程度的影響，可為其斷裂機(jī)制分析提供理論依據(jù)。

3、結(jié)語

本文以TC21鈦合金為研究對(duì)象，利用自主研發(fā)的熱振復(fù)合應(yīng)力調(diào)控設(shè)備對(duì)其進(jìn)行熱振處理試驗(yàn)，所有試樣均采用三階段振動(dòng)的方式，振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)頻率及保溫時(shí)間均保持一致，以研究不同處理溫度對(duì)TC21鈦合金殘余應(yīng)力調(diào)控效果的影響，得出如下結(jié)論:

(1)熱振復(fù)合處理試驗(yàn)中溫度的升高，可有效釋放TC21鈦合金零件的軸向殘余應(yīng)力，而保溫時(shí)間與振動(dòng)時(shí)效參數(shù)相同時(shí)，溫度越高零件的應(yīng)力絕對(duì)值將不斷下降。在250℃、300℃和400℃的溫度下，殘余應(yīng)力下降幅度略低，然而溫度設(shè)置到600℃時(shí)，零件殘余應(yīng)力釋放效果尤為顯著，應(yīng)力降低率高達(dá)81.8%。

(2)依據(jù)維氏硬度(HV0.5)測試結(jié)果來看，原始態(tài)TC21鈦合金的硬度平均值為365.6HV0.5，經(jīng)過熱振復(fù)合處理之后其硬度平均值則下降至350.0HV0.5，下降幅度為4.3%;同時(shí)發(fā)現(xiàn)熱振態(tài)零件5個(gè)位置的硬度數(shù)據(jù)離散性將進(jìn)一步減小，這表明零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布得到有效改善。

(3)對(duì)600℃熱振復(fù)合處理后的TC21鈦合金零件進(jìn)行SEM斷口形貌觀測，研究發(fā)現(xiàn)斷口同時(shí)出現(xiàn)了準(zhǔn)解理特征與韌窩結(jié)構(gòu)，這表明材料在斷裂過程中既發(fā)生脆性擴(kuò)展，同時(shí)亦伴隨著塑性變形。TC21鈦合金零件的斷裂特征與熱振復(fù)合處理效果密切相關(guān)，這種熱-振協(xié)同作用不但能夠改善材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)，亦可對(duì)材料微觀組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，最終導(dǎo)致裂紋萌生與擴(kuò)展。

綜上所述，熱振復(fù)合處理能夠有效改善TC21鈦合金的殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，并且可以提升力學(xué)響應(yīng)的一致性，可為后續(xù)熱振復(fù)合工藝參數(shù)的優(yōu)化提供建設(shè)性參考。

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（注，原文標(biāo)題：不同溫度下熱振復(fù)合處理對(duì)TC21鈦合金殘余應(yīng)力的影響_肖文濤）