電鍍硬鉻工藝對(duì)TC6鈦合金性能的影響研究

發(fā)布時(shí)間：2015-03-03 16:11:50

 (1．北京航空材料研究院，北京100095;2．國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽蕪湖241007)

    摘要:研究了電鍍硬鉻工藝對(duì)TC6鈦合金的影響，利用氫測(cè)定儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對(duì)鍍鉻后TC6鈦合金的氫含量、力學(xué) 和疲勞等性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:TC6鈦合金電鍍硬鉻后基體氫含量顯著提高，氫含量合格但接近上限，不能通過(guò)氫脆實(shí)驗(yàn)。建議TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝 不應(yīng)用在高應(yīng)力集中及高承載部位，以避免氫脆發(fā)生�？估瓘�(qiáng)度基本不變，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率有所降低，分別降低17．3%和24．0%。TC6鈦合金電鍍硬 鉻后由于鍍層造成的殘余拉應(yīng)力，使得疲勞極限顯著降低，由626．0MPa降低至201．3MPa。

    關(guān)鍵詞:鈦合金;電鍍硬鉻;氫含量;力學(xué)性能;疲勞

    DOI:10.3969/j.issn.1005-5053.2012.4.009

    中圖分類號(hào):TG174．44;TQ153．2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1005-5053(2012)04-0049-04

    TC6鈦合金是一種典型的α+β兩相鈦合金，使用狀態(tài)一般為普通退火、等溫退火或雙重退火狀態(tài)。TC6具有較高的室溫強(qiáng)度、優(yōu)良的 熱加工性能和綜合力學(xué)性能，可在400～450℃下長(zhǎng)時(shí)間工作。其主要用于制造飛機(jī)隔框、接頭、緊固件和發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片等零件［1～3］。

    鈦合金的耐磨性較差，TC6鈦合金用于飛機(jī)接頭等部位時(shí)必須進(jìn)行表面防護(hù)，以提高耐磨性。硬鉻鍍層具有顯微硬度高(HV＞700)、耐磨性好、鍍層穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且電鍍硬鉻是一種工藝成熟的傳統(tǒng)表面處理技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)高強(qiáng)度鋼零件的防護(hù)，因此電鍍硬鉻也逐漸開始應(yīng)用于鈦合金零件［4］。目前鈦合金鍍鉻工藝較為成熟，但鉻層對(duì)鈦合金的性能影響研究較少。對(duì)高強(qiáng)度鋼電鍍硬鉻的研究表明，電鍍硬鉻的過(guò)程中，電鍍液中的氫元素有可能滲入基體及鍍層，從而影響到基體的疲勞性能［5］。本工作研究了電鍍硬鉻工藝對(duì)TC6鈦合金性能的影響。

    1·材料及實(shí)驗(yàn)方法

    1．1實(shí)驗(yàn)材料

    實(shí)驗(yàn)材料為TC6鈦合金，化學(xué)成分見表1。

    1．2實(shí)驗(yàn)方法

    采用等溫退火處理的TC6鈦合金試樣，按如下工藝流程進(jìn)行電鍍硬鉻:前處理→電鍍?nèi)榘足t→真空擴(kuò)散→電鍍硬鉻。電鍍硬鉻工藝參數(shù):溫度50～60℃，電流密度45～55A/dm2。

    氫含量采用RH-404脈沖加熱熱導(dǎo)氫測(cè)定儀測(cè)試。分別測(cè)試空白試樣、前處理、電鍍?nèi)榘足t、真空擴(kuò)散、電鍍硬鉻后的氫含量，試樣尺寸為8mm×5mm×2mm。

    氫脆實(shí)驗(yàn)參照ASTM F519方法［6］，將TC6鈦合金加工成兩端帶螺紋，缺口尺寸為4．5mm的氫脆試樣(1a．1型)，電鍍硬鉻后進(jìn)行200h，75%缺口試樣強(qiáng)度載荷持久拉伸考核。

    按照HB5214—1996進(jìn)行空白及鍍鉻后TC6鈦合金試樣的抗拉性能測(cè)試，試樣尺寸為?5mm×71mm(M12)。

    疲勞性能按照HB5152—1996進(jìn)行，試樣尺寸為?6．25mm×52mm;采用X-3000殘余應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行TC6鈦合金電鍍硬鉻前后表面殘余應(yīng)力的測(cè)試。

    2·結(jié)果及討論

    2．1氫含量和氫脆結(jié)果

    TC6鈦合金空白試樣、前處理、電鍍?nèi)榘足t、真空擴(kuò)散、電鍍硬鉻后的氫含量測(cè)試結(jié)果見表2。氫含量測(cè)試結(jié)果表明:前處理、鍍?nèi)榘?鉻、鍍硬鉻工序都會(huì)給基體帶入大量氫;真空擴(kuò)散工序除了起到提高鍍層結(jié)合力的作用外，對(duì)氫的去除效果也非常明顯，前處理、鍍?nèi)榘足t工序中滲入的氫都被真空 擴(kuò)散工序清除，因此整個(gè)工藝中決定最終TC6鈦合金氫含量的是電鍍硬鉻工序;電鍍硬鉻后TC6鈦合金氫含量為0．0130%，滿足氫含量≤0．015%的 要求［7］。

    電鍍硬鉻后氫含量測(cè)試結(jié)果表明TC6鈦合金中有大量氫存在，處于合格范圍但接近TC6鈦合金對(duì)氫含量要求的上限，可能存在一定氫脆 風(fēng)險(xiǎn)。由于目前無(wú)對(duì)鈦合金的氫脆鑒定的標(biāo)準(zhǔn)方法，因此，借鑒ASTM F519中高強(qiáng)度鋼的氫脆實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行氫脆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及斷口形貌見圖1。結(jié)果表明電鍍硬鉻后的TC6鈦合金氫脆試樣持久拉伸不到24h試樣發(fā)生斷裂， 斷口為典型的氫脆解理斷裂［8］，TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝不能通過(guò)該氫脆考核。

    氫脆發(fā)生有3個(gè)條件，即材料對(duì)氫脆敏感、氫元素存在和應(yīng)力作用，三者同時(shí)具備時(shí)才可能發(fā)生氫脆。此外，由于氫易在應(yīng)力集中部位富 集，帶缺口、應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)高的零件更易發(fā)生氫脆。ASTMF519中高強(qiáng)度鋼的氫脆檢測(cè)方法就是綜合了上述幾種因素:選用對(duì)氫脆非常敏感的材料(熱處理至 51～54HRC的4340鋼);試樣帶有缺口，應(yīng)力集中系數(shù)為Kt=3．1;試樣進(jìn)行電鍍或表面處理;施加75%σbH的載荷，持久拉伸200h。該方 法是根據(jù)氫脆發(fā)生的條件，對(duì)表面處理工藝進(jìn)行的加嚴(yán)考核(高敏感材料、高應(yīng)力集中、高載荷)。本工作借鑒該思路，但試樣材料由4340鋼改為TC6鈦合 金。實(shí)驗(yàn)表明，在該加嚴(yán)考核條件下，電鍍硬鉻后的TC6鈦合金氫脆試樣會(huì)發(fā)生氫脆斷裂，存在氫脆危險(xiǎn)。

    鈦合金中的氫主要以TiH形式存在，它的去除需要真空高溫處理(650℃)，而鉻層在高于400℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)鍍層硬度下降等問(wèn)題 ［9］，電鍍硬鉻后不能通過(guò)真空除氫的方法去除氫或降低氫含量。氫脆發(fā)生需同時(shí)具備3個(gè)條件，由于不能通過(guò)真空高溫除氫來(lái)降低TC6鈦合金電鍍硬鉻氫含 量，但可通過(guò)控制TC6鈦合金電鍍硬鉻的使用范圍，例如避免在高應(yīng)力集中及高載荷部位使用，來(lái)避免氫脆發(fā)生。因此應(yīng)謹(jǐn)慎選用TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝，尤 其是不用在高應(yīng)力集中和高承載部位，以避免氫脆發(fā)生，保障鈦合金鍍鉻零件的安全。

    2．2力學(xué)性能

    TC6鈦合金電鍍硬鉻前后力學(xué)性能結(jié)果見表3。

    從表3可以看出:TC6鈦合金電鍍硬鉻后抗拉強(qiáng)度基本不變，但伸長(zhǎng)率和斷面收縮率有所降低，分別降低了17．3%和24．0%，不 過(guò)仍滿足δ≥10%和ψ≥23%的要求［7］。電鍍硬鉻工藝對(duì)TC6鈦合金力學(xué)性能的影響主要是氫造成的，由于電鍍硬鉻氫的滲入，使得TC6鈦合金伸長(zhǎng)率 下降，尤其是斷面收縮率有較大幅度的下降，但對(duì)抗拉強(qiáng)度影響不大，這與何曉［10］、張彩碚［11］等人的研究結(jié)果相近。TC6鈦合金為α+β型鈦合金， 氫在β相中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)都較高，拉伸過(guò)程中氫的活動(dòng)性更強(qiáng)，因此α+β型兩相組織比單相α組織對(duì)氫脆更敏感;此外氫在鈦合金中以氫化物存在，由于晶 界析出的氫化物較多，位錯(cuò)塞積后的局部應(yīng)力集中將比較容易導(dǎo)致氫化物與基體分離而萌生裂紋，使塑性變形不能很好地進(jìn)行，導(dǎo)致材料變脆。

    2．3疲勞性能

    TC6鈦合金電鍍硬鉻前后疲勞性能結(jié)果見圖2。圖2表明，電鍍硬鉻使TC6鈦合金疲勞性能大幅下降，疲勞極限由鍍前的 626．0MPa降低至鍍后的201．3MPa，降幅高達(dá)68%。電鍍硬鉻鍍層大幅度降低TC6鈦合金疲勞性能的原因是硬鉻鍍層對(duì)基體表面施加了很大的拉 應(yīng)力。采用X-3000殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)TC6鈦合金電鍍硬鉻前后表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明:鍍前殘余應(yīng)力－163．4MPa，為壓應(yīng)力;鍍后 殘余應(yīng)力406．6MPa，為拉應(yīng)力。測(cè)試結(jié)果很好地證實(shí)了上述分析。由于鍍層拉應(yīng)力的作用，使得疲勞源也由單源變成多源，見圖3。

    3·結(jié)論

    (1)TC6鈦合金電鍍硬鉻后基體氫含量顯著提高，氫含量合格但接近上限，通不過(guò)氫脆考核，存在一定氫脆風(fēng)險(xiǎn);建議不將TC6鈦合金電鍍硬鉻工藝應(yīng)用在高應(yīng)力集中及高承載部位，以避免氫脆發(fā)生。

    (2)TC6鈦合金電鍍硬鉻后抗拉強(qiáng)度基本不變;由于電鍍中滲氫的影響，TC6鈦合金電鍍硬鉻后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率有所降低，分別降低17．3%和24．0%。

    (3)TC6鈦合金電鍍硬鉻后由于鍍層造成的殘余拉應(yīng)力，使得疲勞極限顯著降低，由626．0MPa降低至201．3MPa。

    參考文獻(xiàn):

    ［1］朱知壽，王慶如，沙愛(ài)學(xué)．TC6鈦合金普通退火熱穩(wěn)定性和高溫性能研究［J］．航空材料學(xué)報(bào)，2003，23(4):5－9．

    ［2］朱知壽，王慶如，周宇，等．TC6鈦合金棒材熱處理工藝研究［J］．航空材料學(xué)報(bào)，2004，24(5):15－20．

    ［3］PETERSM，KUMPFERTJ，WARDCH，etal．Titanium

    al-loysfor

    aerospaceapplications［J］．Advanced

    EngineeringMaterials，2003，5

    (6):419－427．

    ［4］孫志華，

劉佑厚，張曉云，等．鈦及鈦合金的電鍍工藝述評(píng)［J］．腐蝕與防護(hù)，2005，26(11):493－496．

    ［5］張?jiān)食�，胡如南，向榮．電鍍手冊(cè)［M］．2版．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1997:363－409．

    ［7］中國(guó)航空材料手冊(cè)編輯委員會(huì)．中國(guó)航空材料手冊(cè):第9卷:涂料鍍覆層與防銹材料［M］．2版．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002．

    ［8］陶春虎，劉慶瑔，曹春曉，等．航空用鈦合金的失效及其預(yù)防［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002:97－102．

    ［9］李金桂，趙閨彥．腐蝕和腐蝕控制手冊(cè)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1988:398－399．

    ［10］何曉，沈保羅，曹建玲，等．氫對(duì)兩種新型鈦合金強(qiáng)度和塑性的影響［J］．稀有金屬材料與工程，2003，32(5):390－393．

    ［11］張彩碚，顏瑩，劉羽寅，等．氫對(duì)T52YL鈦合金性能的影響［J］．金屬學(xué)報(bào)，2002，38(增刊):248－250