表面處理工藝對航空發動機用TA15鈦合金板材彎曲性能的影響

TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）鈦合金是一種高Al當量近α型鈦合金，因其具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊接性，兼顧α+β型鈦合金優異的力學性能和高溫強度[1]，被大量用作航空器結構件、發動機葉片、機匣以及飛機機身的鈑金件等[2-4]。鈦合金板材一般需進行熱處理，熱處理后表面極易形成致密的氧化層，氧化層的存在不僅影響材料的工藝性能，而且會對后續焊接等工藝造成影響[5]。因此，鈦合金板材使用前必須去除表面氧化層，獲得干凈光潔的金屬表面。

目前常用的表面處理方法有研磨拋光[6]、酸洗[7]、噴砂[8]以及激光清洗[5]等。噴砂工藝處理后板材表面粗糙度較高，不適用于對表面質量要求較高的板材進行表面處理。激光清洗技術目前尚處于研究試驗階段，適用于小型簡單結構工件的表面處理，尚未實現工業化推廣。因此，目前廣泛采用的表面處理工藝為研磨拋光和酸洗工藝。酸洗工藝由于生產效率高，所獲得的表面質量穩定可靠，被廣泛應用于鈦合金板材工業化生產中，但因其引發的環保問題備受爭議。研磨拋光是通過硬質磨料對工件的持續沖擊、剪切作用，靠切削、材料表面塑性變形去掉被拋光后的凸部而得到平滑面的拋光方法[6]。研磨拋光因具有操作方便、經濟高效、質量穩定等優點而備受大中小裝備制造企業的青睞。

對于鈦合金板材而言，彎曲性能測試屬于工藝性能檢測，對表征材料的成形性能具有重要的意義[9]。

影響材料彎曲性能的因素主要包括材料塑性[10]、表面狀態[11]等。目前，關于TA15鈦合金表面狀態對其彎曲性能的影響尚不明確。為此，基于不同板材表面處理工藝研究了表面狀態對退火態TA15鈦合金板材彎曲性能的影響，旨在優化鈦合金板材表面處理工藝，為實際生產提供參考。

1、實驗

實驗材料為寶鈦集團有限公司采用熱軋工藝生產的5mm厚TA15鈦合金板材，主要化學成分（質量分數，w/%）為：Al6.6，V1.3，Mo1.4，Zr1.9，余量為Ti。采用常規退火工藝對TA15鈦合金板材進行退火處理。圖1為TA15鈦合金板材經過退火后的顯微組織，圖中黑色相為β轉變組織（βtrans），白色相為初生α相（αp），含量為75%。根據GB/T6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的截點法測得縱剖面平均晶粒尺寸為9.4μm，橫截面平均晶粒尺寸為11.2μm，為均勻的等軸組織。表1為退火態TA15鈦合金板材的室溫拉伸性能。

為使退火后的TA15鈦合金板材獲得具有金屬光澤的表面，分別采用研磨拋光（工藝1）、酸洗減薄（工藝2）、研磨拋光+酸洗減薄（工藝3）3種表面處理工藝去除表面氧化層，研磨拋光方向平行于板材軋制方向（RD）。其中，研磨拋光所用砂輪為80#~320#SiC砂輪，酸洗減薄所用酸液為HNO3+HF+H2O混合溶液，浸泡時間為0.5~5min，具體工藝見表2。

根據GB/T232—2010要求，按圖2所示對不同工藝處理的板材試樣進行三點彎曲試驗，測量試樣彎曲開裂后的彎曲角度（也稱彎曲開裂角）。金相試樣用 5vol%HF+12vol%HNO3+83vol%H2O腐蝕液進行浸蝕后，采用ZEISS倒置式金相顯微鏡進行組織觀察。

采用JSM-6480型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察彎曲試樣的斷口形貌、表面形貌和橫截面形貌。

2、結果與分析

2.1彎曲角度

經過不同工藝處理后TA15鈦合金板材試樣的彎曲角度如表3所示。工藝1為對比工藝，也是目前板材廣泛采用的表面處理工藝。經工藝2處理后，試樣的彎曲角度相比工藝1提高了11°，經工藝3處理后，試樣的彎曲角度提高了22°。表明酸洗減薄工藝和研磨拋光+酸洗減薄聯合工藝均可以有效提高TA15鈦合金板材的彎曲角度。

2.2表面粗糙度

已有研究表明，材料彎曲性能對其表面粗糙度十分敏感[11-13]。表4為經不同工藝處理后TA15鈦合金板材的表面粗糙度。從表4可以看出，研磨拋光后板材的表面粗糙度（Ra）最大，為1.58μm。相比于研磨拋光，酸洗減薄后試樣的表面粗糙度下降了27.8%，研磨拋光+酸洗減薄后板材表面粗糙度Ra值為0.83μm，下降了47.5%。結合試樣彎曲性能測試結果來看，酸洗減薄和研磨拋光+酸洗減薄工藝能顯著提升板材的彎曲角度與其能顯著降低板材的表面粗糙度有關。

2.3顯微組織

鈦合金材料在熱加工過程中，其表層可能會形成脆性α層，特征為試樣邊部顯微組織中存在白色層或者具有高密度的光亮α層[14-16]。脆性α層會在板材彎曲過程中形成裂紋源，在外側拉應力作用下裂紋擴展并失穩最終導致材料開裂失效。圖3為彎曲試樣近斷口區內、外層金相照片。從圖3可以看出，試樣表層不存在脆性α層，可排除由此引發的試樣彎曲開裂的可能性。

2.4表面形貌

圖4為經不同工藝處理后TA15鈦合金板材表面的SEM形貌，圖5為經不同工藝處理后TA15鈦合金板材橫截面的SEM形貌。從圖4a和圖5a可以看出，經工藝1處理后板材表面呈現出規則的沿著研磨方向的磨削紋路，橫截面出現鋸齒狀紋路（如紅色虛線框內所示），同時表面殘留有磨料顆粒以及切削留下的痕跡。從圖4b、4c表面形貌以及圖5b、5c橫截面形貌可以看出，經化學腐蝕后表面明顯變得平坦，溝槽和劃痕等磨削痕跡以及鋸齒狀磨削紋理明顯淡化。經工藝3處理后表面最為平整均勻。

從上述表面形貌特征可以看出，采用工藝1處理后，板材表面存在大量鋸齒狀磨削痕跡，這是影響表面粗糙度的根本原因，也造成了板材彎曲過程中產生局部應力集中。當受到載荷作用時，表面裂紋優先在這些鋸齒狀溝槽以及磨料殘留物處產生，形成裂紋源或發展為裂紋擴展的通道，加速裂紋擴展，造成構件失效斷裂[13]。通過酸洗減薄可以對表面鋸齒狀溝槽尖端進行腐蝕消耗，使尖銳的棱角鈍化變得平坦，而且對磨料殘留物具有明顯的剝離作用。采用研磨拋光+酸洗減薄工藝進行表面處理時，機械磨削可對表面進行平整化處理，通過化學反應進行鈍化，可在一定程度釋放表面局部殘余應力，降低板材在受到載荷作用時因鋸齒狀磨削溝槽尖端產生局部應力集中的現象，有利于延緩板材的彎曲開裂，增大彎曲角度。

2.5彎曲斷口形貌

圖6為經研磨拋光處理后TA15鈦合金彎曲開裂試樣的斷口形貌。從圖6a可以看出，整個彎曲斷口相對平整，裂紋起源于試樣表面。從圖6b、6c可以看出，斷口表面存在大量撕裂的韌窩，以及具有方向性的平行撕裂棱。該現象的產生與板材彎曲過程中表層的受力狀態有關。板材彎芯外側承受較大拉應力，彎折過程中塑性形變最為劇烈，形變硬化效應最為明顯，在載荷作用下形成具有方向性的撕裂棱。從圖6d、6e可以看出，斷口中心層有大量小而深的韌窩，表明試樣的斷裂類型為韌性撕裂。

綜上所述，彎曲開裂的原因主要與板材表面形貌有關，研磨拋光工藝處理后的板材表面存在微小的磨削溝槽，在彎曲過程中外表面受拉應力，而這些表面存在的小溝槽負載時產生局部應力集中，形成預制微裂紋，這些微裂紋在載荷作用下不斷擴展，造成裂紋失穩擴展，最終導致表面開裂。

3、結論

(1)退火態TA15鈦合金板材經研磨拋光處理后，表面呈現出規則的沿著研磨方向的磨削紋路，橫截面呈現鋸齒狀紋路，同時表面殘留有磨料顆粒以及切削留下的痕跡。經研磨拋光+酸洗減薄工藝處理后的表面最為平整，表面粗糙度為0.83μm。

(2)TA15鈦合金板材經研磨拋光+酸洗減薄工藝處理后的彎曲角度最大，酸洗減薄工藝次之，研磨拋光工藝最小。

(3)研磨拋光彎曲開裂試樣的斷口相對平整，裂紋起源于試樣表面。由于TA15鈦合金板材同時受拉應力和壓應力作用，韌窩形態呈現多而深、具有方向性的特征，為典型的韌性撕裂斷口。

參考文獻 References

[1] 許平, 王奡, 蘇智星. TA15 鈦合金超塑成形/擴散連接的可行性研究[J]. 鈦工業進展, 2014, 31(4): 16-19.

[2] 張永強, 毛小南, 潘浩, 等. 細晶 TA15 鈦合金板材制備工藝及其超塑性研究[J]. 鈦工業進展, 2018, 35(1): 20-23.

[3] 劉章光, 高海濤, 劉繼偉, 等. TA15 鈦合金板材冷折彎成形的有限元模擬及實驗研究[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(13):129-132 + 135．

[4] 謝英杰, 付文杰, 王蕊寧, 等. 熱處理對 TA15 鈦合金中厚板材組織及力學性能的影響[J]. 鈦工業進展, 2013, 30(6):26-29.

[5] 賈寶申, 屈紅星, 唐洪平, 等. 鈦軋板表面氧化層激光清洗技術研究[J]. 激光與光電子學進展, 2019, 56(21): 110-115.

[6] 杜洪濤, 白銀虎. 不銹鋼表面機械拋光工藝技術的應用[J].中國設備工程, 2022(13): 114-115.

[7] 李爭顯, 張麗紅. 鈦建材及表面處理技術[J]. 鈦工業進展,2002, 19(1): 17-19.

[8] 蔡茜, 李昆. 水噴砂去除鈦合金表面氧化層效果的研究[J].化肥設計, 2019, 57(3): 4-5.

[9] 徐萌萌. TC1、TA15 鈦合金板材成形性能及工藝研究[D].南京: 南京航空航天大學, 2014.

[10] 張箭沖, 王連友, 張輝玲, 等. 鋁合金板材彎曲成型性能[J].黑龍江科技信息, 2017(6): 99.

[11] 陳煜達, 潘金芝, 劉鵬濤, 等. 表面粗糙度對動車組車輪鋼彎曲疲勞性能的影響[J]. 表面技術, 2017, 46(2): 172-177.

[12] 秦頤鳴, 李德元, 趙解揚. 5182-H111 鋁合金板材彎曲性能和拉伸性能的關系[J]. 有色金屬加工, 2018, 47(3): 33-36.

[13] 劉連花, 肖永通. 幾種金屬材料彎曲性能試驗方法的對比[J].材料研究與應用, 2021, 15(3): 306-308.

[14] 蒲正利, 朱志慶, 葉紅川, 等. TC4 鈦合金表面α污染層及金相檢測方法[J]. 鈦工業進展, 2002, 19(1): 38-41.

[15] 中國有色金屬工業協會. 鈦及鈦合金術語和金相圖譜:GB/T 6611—2008[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[16] 中國有色金屬工業協會. 鈦及鈦合金表面污染層檢測方法: GB/T 23603—2009[S]. 北京: 中國標準出版社, 2009.