600℃热暴露对Ti65合金疲劳性能的影响

摘要

【目的】为了研究600℃热暴露条件下，不同热暴露时间对Ti65合金显微组织、表面氧化行为及疲劳性能的影响，明确热暴露过程中析出相演化与表面氧化层形成对合金疲劳寿命的作用机制。【方法】在600℃条件下对Ti65合金分别进行55、100、500、1 000和2 000 h的热暴露试验，并对热暴露前后Ti65合金的显微组织及表面氧化行为进行表征。同时，对热暴露前后的Ti65合金进行旋转弯曲疲劳试验，获得650℃/401 MPa加载条件下的疲劳寿命。【结果】热暴露前后Ti65合金的显微组织组成基本一致。随热暴露时间的增加，初生等轴α_p相的尺寸、含量以及次生片层α_s相的片层宽度变化不明显，而α₂相和硅化物的尺寸及含量均有所增加。Τi65合金试样表面氧化层厚度随热暴露时间延长而逐渐增大，当热暴露时间达到2 000 h时，氧化层厚度约为540 nm。同时，热暴露显著增加了试样表面的粗糙度。此外，随着热暴露时间的延长，可达到疲劳极限（10～7）的试样数量呈现先增加后减少的变化趋势，即疲劳稳定性先提高后降低。【结论】Ti65合金在600℃热暴露过程中，试样表面形成氧化层，同时氧元素向基体扩散并形成氧扩散层。一方面，热暴露后由于氧化物颗粒生成，导致试样表面粗糙度增加；另一方面，氧化层主要由陶瓷类脆性氧化物组成，上述因素均会引起应力集中，使疲劳裂纹在循环加载过程中更易萌生，从而降低Ti65合金的疲劳寿命。同时，热暴露过程中α₂相和硅化物的尺寸及含量增加，对位错运动的阻碍作用增强。总体而言，Ti65合金的疲劳性能主要受热暴露过程中析出相演化与表面氧化层形成的共同影响，二者之间存在竞争关系：在热暴露初期，析出相的析出起主导作用，使可达到疲劳极限的试样数量随热暴露时间增加而增加；当热暴露时间为100 h时，可达到疲劳极限的试样数量达到最大值；随着热暴露时间进一步延长，表面氧化层的影响逐渐占主导地位，使可达到疲劳极限的试样数量逐渐减少。

关键词

Ti65合金 / 热暴露 / 疲劳性能 / 氧化层 / α₂相 / 硅化物 / 显微组织 / 粗糙度

基金资助

国家科技重大专项(J2019-VI-0012-0026)