鈦合金由于其低密度、耐腐蝕、高強(qiáng)度、高硬度等特點(diǎn)，已在航空航天、特殊體育器械和石油化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。激光增材制造技術(shù)可以通過(guò)逐層沉積的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的快速成形，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造周期短，目前已在鈦合金零部件的制造上得到應(yīng)用，并成為增材制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[3-6]。
疲勞一直是材料面臨的主要服役問題之一。與傳統(tǒng)工藝制造材料相同，增材制造材料同樣面臨腐蝕疲勞斷裂的問題[7-8]。目前已有學(xué)者對(duì)增材制造 TC4 鈦合金的疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)影響其疲勞性能的因素眾多。Eric 等[9]認(rèn)為激光增材制造形成的表面應(yīng)力集中會(huì)顯著降低材料的疲勞性能，他們提出可通過(guò)表面機(jī)械研磨來(lái)提高疲勞強(qiáng)度，但材料的內(nèi)部缺陷（未完全熔化的粉末、氣孔缺陷等）仍然會(huì)導(dǎo)致材料的疲勞性能不穩(wěn)定。此外，增材制造形成的各向異性也會(huì)導(dǎo)致 TC4 鈦合金橫向和縱向疲勞性能存在明顯的不均勻性，并且橫向試樣的疲勞極限通常比縱向的低，這種差異與材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及殘余應(yīng)力分布不均勻有關(guān)[10]。后熱處理工藝也會(huì)對(duì)增材制造 TC4 的疲勞裂紋擴(kuò)展行為產(chǎn)生影響，Leuders 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，后熱處理引起的微觀組織改變會(huì)影響疲勞裂紋擴(kuò)展的第一階段，第二和第三階段則主要受外部應(yīng)力的影響 。 C h e r n 等 [ 1 2 ] 總 結(jié) 了 工 藝 參 數(shù) 及 后 處 理 對(duì)電子束增材制造 TC4 鈦合金疲勞性能影響的研究現(xiàn)狀。Sterling 等[13]對(duì)制備態(tài)和熱處理態(tài)的直接能量沉積 TC4 合金的低周疲勞行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)缺乏塑性是樣品低周疲勞壽命較低的主要原因。Benedetti等[14]研究了選區(qū)激光熔化 TC4 合金的低周疲勞行為，也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論。從以上研究可以看出，目前針對(duì)增材制造鈦合金疲勞性能的研究主要集中在制造缺陷及微觀組織對(duì)疲勞性能的影響方面，很少關(guān)注不同外載荷下材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。
為此，本文針對(duì)激光直接沉積制造的 TC4 鈦合金，采用緊湊拉伸（CT）試樣，進(jìn)行了不同應(yīng)力比下的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，采用 Paris 公式對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行了擬合，并在掃描電鏡下對(duì)斷口形貌進(jìn)行了分析，研究了不同應(yīng)力比下激光直接沉積制造的TC4鈦合金的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。
1 、實(shí)驗(yàn)
采用工業(yè)級(jí) TC4 鈦合金粉末為原材料，粉末由氣霧化法制備，其主要化學(xué)成分如表 1 所示。粉末的形貌和尺寸如圖 1 所示。從圖 1a 可以看出，粉末呈球形，且未發(fā)生明顯的團(tuán)聚。采用激光粒度儀測(cè)得的粉末粒徑分布情況如圖 1b 所示，粉末粒徑主要為20~60μm，平均粒徑為 36.5μm。
激光直接沉積設(shè)備型號(hào)為 RC-LDM8060，試樣的成形示意圖如圖 2a 所示。設(shè)備采用同軸送粉方法，即激光和粉末同時(shí)從噴嘴發(fā)出，在基板上熔化并凝固沉積成所需試樣，保護(hù)氣體為 99.999%的高純氬氣，在成形過(guò)程中保持氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于 50×10?6。激光的掃描策略如圖 2b 所示，即在當(dāng)前層掃描結(jié)束后，旋轉(zhuǎn) 90°進(jìn)行下一層掃描。具體的沉積參數(shù)如下：激光功率為 900 W，光斑直徑為 2mm，掃描速度為300 m/min，送粉速度為 5 g/min，掃描間距為 1mm，層厚為 0.5mm。采用上述沉積工藝，制備出尺寸為80mm×80mm×20mm 的塊體試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。
在 Tescan Clara 掃描電鏡下通過(guò)電子背散射衍射儀（EBSD）、背散射電子成像儀（BSE）和能量色散譜儀（EDS）對(duì)退火后試樣的微觀組織進(jìn)行分析。通過(guò)電火花加工方法對(duì)試樣進(jìn)行切割，然后依次使用400#~5000#砂紙進(jìn)行打磨，最后再依次通過(guò)金剛石懸濁液和氧化硅懸濁液進(jìn)行拋光，清洗并烘干后進(jìn)行微觀組織分析。
按照?qǐng)D 3 所示的試樣尺寸，采用電火花加工方法將去應(yīng)力退火處理后的材料加工成緊湊型拉伸（CT）試樣。其中，保持機(jī)加工缺口的開口方向與沉積方向相同。試樣寬度 b 為 50mm，厚度 δ 為 5mm，初始裂紋長(zhǎng)度 l0 為 10mm。為減少表面粗糙度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的干擾，逐一采用 400#~2000#砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨。
疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)參照 GB/T 6398—2017《金屬材料疲勞實(shí)驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》進(jìn)行：首先預(yù)制2mm 長(zhǎng)的疲勞裂紋，然后進(jìn)行最大載荷 Pmax 恒定為2 500 N 的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。其中，載荷頻率 f 為10 Hz，應(yīng)力比 R 分別為 0.1、0.3 和 0.5，載荷幅（?P=Pmax×R）由應(yīng)力比決定。通過(guò)柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，記錄裂紋長(zhǎng)度 l 和循環(huán)次數(shù) N，通過(guò)割線法計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率 dl/dN[15]，如式（1）所示。
對(duì)于 CT 試樣，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅（?K）采用式（2）進(jìn)行計(jì)算[15]。
式中：α=l/b，為試樣形狀因子。最后采用 Paris公式對(duì) dl/dN-?K 曲線進(jìn)行擬合，Paris 公式如式（3）所示[16]。
式中：C 和 m 均為與材料性質(zhì)相關(guān)的擬合參數(shù)。
待疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在 Tescan Clara 掃描電鏡下通過(guò)二次電子成像對(duì)斷口表面形貌進(jìn)行表征。二次電子成像的加速電壓為 15 kV，加速電流為 300 pA。
2、 結(jié)果與分析
2.1 微觀組織
x-y 平面上材料的微觀組織如圖 4 所示。EBSD分析結(jié)果表明，在激光直接沉積 TC4 鈦合金內(nèi)，晶粒呈柱狀晶生長(zhǎng)，各晶粒呈隨機(jī)取向分布，平均晶粒尺寸為 3.2μm，如圖 4a 所示。從圖 4b 所示的相分布圖可以看出，材料主要由 α-Ti 組成，可以檢測(cè)到少量的 β-Ti。由于 β-Ti 尺寸較小，EBSD 技術(shù)難以分辨，因此采用 BSE 和 EDS 對(duì)微觀組織進(jìn)行了進(jìn)一步表征。
微觀組織的高倍 BSE 形貌如圖 5a 所示?？梢钥闯?，除板條的 α-Ti 以外，還有少量白色的針狀組織。
通過(guò) EDS 線掃描對(duì)這些組織的元素含量及分布進(jìn)行了半定量表征，結(jié)果如圖 5b 所示。可以看出，在這些白色的針狀組織中出現(xiàn)了 V 元素的富集。V 元素是β-Ti 的形成元素，可以推測(cè)這些白色相為 β-Ti[17-19]。
2.2 疲勞裂紋擴(kuò)展速率
將采集的裂紋長(zhǎng)度和循環(huán)次數(shù)繪制成 l-N 曲線，如圖 6a 所示。隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋長(zhǎng)度l 呈指數(shù)增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度不斷增大。根據(jù)式（1）計(jì)算得到 dl/dN 數(shù)值，并與由式（2）計(jì)算得到的?K 值繪制成 dl/dN-?K 曲線，如圖 6b 所示。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，不同應(yīng)力比的 dl/dN 與?K 均呈線性關(guān)系，即裂紋擴(kuò)展速率 dl/dN 隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅?K 的增大而增大。此外，從圖 6b 還可以看出，在相同?K 值下，疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力比的增大而增大。
采用 Paris 公式對(duì)裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行擬合，結(jié)果如表 3 所示。3 種應(yīng)力比下擬合優(yōu)度均大于 0.97，擬合程度較好。在 Paris 公式中，參數(shù) C 可以被認(rèn)為是y 軸的截距，它依賴于材料的性質(zhì)；參數(shù) m 代表斜率，它體現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展速率對(duì)外加的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK 的敏感度，m 值越大，則材料對(duì) ΔK 的敏感度越高。
從表 3 可以看出，隨著應(yīng)力比由 0.1 增大到 0.5，參數(shù) C從 1.42×10?11 降低到 1.21×10?11，參數(shù) m 從 3.11 增大到3.55，說(shuō)明隨著應(yīng)力比的增大，材料更容易發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展。這種應(yīng)力比導(dǎo)致的變化規(guī)律，與傳統(tǒng)加工得到的損傷容限型 TC4 鈦合金變化規(guī)律相同[20-21]。
為獲得不同應(yīng)力比下 Paris 參數(shù) m 和 C 的關(guān)系，以 m 為縱坐標(biāo)、lg C 為橫坐標(biāo)繪制成圖 7?？梢钥闯?，2 個(gè)參數(shù)呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。通過(guò)線性公式 m=algC+ b0 進(jìn)行擬合，得到 a=?60.02、b0=?5.82，擬合系數(shù) R2=0.88。從圖 7 還可以看出，應(yīng)力比增大僅僅使數(shù)據(jù)點(diǎn)沿?cái)M合直線移動(dòng)，但并未偏離直線，因此應(yīng)力比的改變并不會(huì)影響參數(shù) m 和 lg C 的線性關(guān)系。
這種線性關(guān)系在采用傳統(tǒng)工藝加工的鈦合金及其他金屬材料中也普遍存在，與材料的制造工藝沒有明顯的依賴性[22]。
2.3 斷口表面形貌
在掃描電鏡下通過(guò)二次電子成形對(duì)斷口表面形貌進(jìn)行表征，結(jié)果如圖 8 所示?？梢钥闯?，在 3 種應(yīng)力比下，疲勞裂紋均呈現(xiàn)穿晶擴(kuò)展模式。在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的沿特定晶面的解理，因此觀察到大量沿裂紋擴(kuò)展方向匯聚的河流花樣。此外，由裂紋尖端交替鈍化和銳化形成的疲勞輝紋也清晰可見。但在 3 種應(yīng)力比下，這些特征呈現(xiàn)了一定的差異。隨著應(yīng)力比的增大，河流花樣更多，疲勞輝紋逐漸變淺，說(shuō)明并且二次裂紋的數(shù)量也隨之增加。
2.4 分析討論
在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，由外載荷改變引起的裂紋閉合效應(yīng)是材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率的主要影響因素之一[23-24]。一般認(rèn)為，應(yīng)力比對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響主要來(lái)源于裂紋的閉合效應(yīng)，即在 Pmax 恒定時(shí)，當(dāng)應(yīng)力比較小時(shí)，平均應(yīng)力 Pm=Pmax×(1?R)/2 也較小，此時(shí)裂紋面接觸閉合的時(shí)間較長(zhǎng)，閉合效應(yīng)顯著；隨著應(yīng)力比的增大，平均應(yīng)力隨之增大，裂紋的張開位移變大，此時(shí)閉合效應(yīng)會(huì)減弱甚至消失，因此疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快[25]。顯然，這一規(guī)律實(shí)際上是由外部載荷因素導(dǎo)致的必然結(jié)果，與材料的成形工藝
或材料組織類型沒有必然的聯(lián)系。
在疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)源于正應(yīng)力和切應(yīng)力 2 個(gè)分量[26]，如式（4）~（5）所示。
式中：
τa為臨界平面上的切應(yīng)力幅；σa為正應(yīng)力幅；σmax為最大正應(yīng)力；σn，max為臨界平面上的最大正應(yīng)力。為衡量正應(yīng)力與切應(yīng)力的關(guān)系，進(jìn)而考慮2 種應(yīng)力對(duì)疲勞損傷的綜合影響，引入臨界平面應(yīng)力比 ? [26]，如式（6）所示。
通過(guò)式（6）計(jì)算得到應(yīng)力比為 0.1、0.3 和 0.5時(shí)所對(duì)應(yīng)的 ? 分別為 2.22、2.86 和 4.00，說(shuō)明隨著應(yīng)力比的增大，正應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的作用逐步增大。由于正應(yīng)力的存在可以加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，應(yīng)力比的增大對(duì)應(yīng)較高的ρ ，提高了正應(yīng)力在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的加速效果，因此裂紋擴(kuò)展速率在應(yīng)力比為0.5 時(shí)最大。
3、 結(jié)論
1）在相同?K 條件下，隨著應(yīng)力比的增大，疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大。
2）在 Paris 公式中，當(dāng)應(yīng)力比由 0.1 增大到 0.5時(shí)，參數(shù) C 從 1.42×10?11 降低到 1.21×10?11，參數(shù) m從 3.11 增大到 3.55，且 m 和 lg C 呈線性關(guān)系（m=60.02lgC-5.82）。
3）隨應(yīng)力比的增大，斷口表面的河流花樣增多、疲勞輝紋變淺、二次裂紋數(shù)量增加。
4）應(yīng)力比引起的裂紋尖端閉合效應(yīng)和平面應(yīng)力比變化是導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率發(fā)生改變的主要原因。
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