發(fā)布日期：2026-3-30 17:15:42
TC11鈦合金是一種優(yōu)異的α-β型雙相鈦合金，具有較高的室溫強度，同時在500℃以下具有優(yōu)異的熱強性，因此被廣泛應用于航空航天領(lǐng)域[1] ，尤 其作為航空發(fā)動機關(guān)鍵部件材料使用[2] ，而航空結(jié)構(gòu)材料不僅要求高強度以承受更大的載荷，并且要 求有良好的韌性以避免災難性的失效[3-4] 。近幾十年來，隨著航空工業(yè)的高速發(fā)展，高沖擊韌性已成為對新型鈦合金的預期需求[5] ，沖擊韌性是衡量材料在 高應變率事件中吸收能量、防止災難性斷裂的重要 指標。通常使用夏比沖擊試驗[6] 測量試樣沖擊斷裂 所需的能量，以此來反映材料的沖擊韌性。
金屬材料力學性能通常與其微觀組織狀態(tài)密切 相關(guān)，因此，為提高鈦合金的沖擊韌性，學者們在定制微觀結(jié)構(gòu)這一方面做了很多努力。Stolyarov等[7] 觀察 到，在-196℃時，嚴重塑性變形產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)Ti具 有與粗晶材料不匹配的沖擊韌性，在低溫條件下，納 米結(jié)構(gòu)Ti的強度和延展性由于明顯的加工硬化而顯 著增加。Tian等[8] 研究了低成本近αTi-4Al-1.5Mn合 金的缺口沖擊韌性。通過研究沖擊韌性與微觀組織之 間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，具有更多界面的雙峰微觀結(jié)構(gòu)的 Ti-4Al-1.5Mn試樣表現(xiàn)出更高的沖擊韌性。Buirette 等[9] 研究并比較了微觀結(jié)構(gòu)和晶體織構(gòu)對Ti-6Al-4V 合金沖擊性能的影響，他們發(fā)現(xiàn)α層狀結(jié)構(gòu)具有更高 的斷裂能，討論了其對裂紋擴展速率的影響。
相關(guān)研究均表明，改善鈦合金材料界面微結(jié)構(gòu)， 是提高沖擊韌性的有效方式之一。近年來，電磁沖擊 處理技術(shù)作為一種新型處理工藝被提出，能夠有效 改善材料組織性能。Wu等[10] 發(fā)現(xiàn)短時間的電磁沖 擊處理可以促進鈦基復合材料（TMC）中β相轉(zhuǎn)變， 細化基體中的α相，提高了TMC的屈服強度和硬 度。Liu等[11] 研究了TC11鈦合金在電沖擊處理下 α/β界面局部應變的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)位錯湮滅和界 面附近晶格畸變是弱化α向β相變過程中應變集 中的主要原因。Sun等[12] 提出了一種簡化的二階諧 振體系，認為電磁沖擊處理可選擇性作用于結(jié)構(gòu)缺 陷，尤其是界面等二維結(jié)構(gòu)缺陷；李云峰等[13] 發(fā)現(xiàn)通 過向固態(tài)合金中引入適當?shù)碾姶艣_擊能量，針對性地 改善了界面狀態(tài)，實現(xiàn)了界面起皺甚至橋接，從而優(yōu) 化合金性能。本研究在此基礎(chǔ)之上，重點研究低能電 磁沖擊處理對TC11鈦合金沖擊韌性和抗裂紋萌生 與擴展行為的影響，為采用低能電磁沖擊處理提升鈦 合金及其構(gòu)件服役性能研究奠定理論基礎(chǔ)。
1、實驗材料與方法
1.1實驗材料
本文所用實驗材料為TC11鈦合金,其化學成分為Ti-6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si(wt%)。將接收到的Φ25mm棒材經(jīng)去應力退火、雙重退火處理后，采用線切割制備尺寸為5mmx10mmx55mm的試樣,用砂紙去除氧化層,保證與電極接觸良好,然后進行電磁沖擊處理。
1.2電磁沖擊處理
采用實驗室自制的脈沖電流發(fā)生裝置進行電磁沖擊處理,共設計4組試樣(0#、1#、2#、3#),0#為未處理試樣,其余3組(1#、2#、3#)進行電磁沖擊處理,處理時間均為0.06s,峰值電流密度頻率為50Hz,峰值電流密度分別為108.6、120.6、132.6A/mm2。為了監(jiān)測電磁沖擊處理期間試樣表面溫度變化，使用Fotric-226紅外熱像儀對試樣表面溫度進行實時監(jiān)控，電磁沖擊處理期間試樣表面最高溫度如圖1所示。隨著峰值電流密度逐步升高,試樣表面最大溫升也逐漸升高,試樣最高溫度總體小于160℃，室溫為23℃左右。
1.3夏比沖擊實驗
制備標準U型缺口,在室溫條件下對電磁沖擊處理前后試樣進行示波夏比沖擊實驗，獲得載荷-位移曲線。
1.4微觀表征測試
使用電壓為20kV的JSM-IT800(HL)型場發(fā)射電子掃描顯微鏡觀察夏比沖擊試樣斷口與電磁處理后金相組織，試樣采用砂紙進行打磨后拋光，使用Kroll試劑(1.5%HF+4%HNO3+94.5%H2O)進行腐蝕。對于TEM試樣，機械拋光至100μm后進行離子減薄，采用加速電壓為200kV的透射電鏡(FEI TalosF200X)TEM觀察。
2、實驗結(jié)果
2.1沖擊韌性
圖2(a)為示波沖擊實驗過程中不同試樣的載荷-位移關(guān)系曲線。夏比沖擊實驗過程中，在變形初始階段，試樣載荷均隨位移的增大而逐漸緩慢增大，經(jīng)過第一個轉(zhuǎn)折點后，載荷隨位移增大的速率顯著提高,并快速到達一個峰值點,經(jīng)過峰值點后,載荷-位移曲線以相似的斜率迅速下降。相比于未處理試樣(0#),電磁沖擊處理后試樣(1#、2#、3#)峰值載荷均增大，總沖擊吸收功整體也都有所提高。這表明，電磁沖擊處理后的試樣抗沖擊性能均得到提升。同時，1#試樣的位移相比于處理前減少了，這表明該試樣的塑性可能降低了，而2#和3#試樣的位移相比于未處理的試樣(0#)沒有明顯變化，這表明試樣塑性可能變化不大，其中3#試樣(電磁沖擊處理峰值電流密度最高)在塑性變化不大的前提下，載荷峰值點達到了最高值，沖擊韌性提高最明顯。
沖擊變形過程與一般準靜態(tài)拉伸過程類似,依次經(jīng)歷彈性變形階段、塑性變形階段和裂紋失效階段。總沖擊吸收功可以分為兩類:裂紋萌生功和裂紋擴展功，其中裂紋萌生功是指沖擊試樣在裂紋形成前的彈塑性變形過程中所消耗的能量，因此裂紋萌生過程包含了彈性變形和塑性變形階段，同時，裂紋擴展功是指沖擊試樣在裂紋失效階段所消耗的能量，因此裂紋擴展過程主要包含了裂紋失效階段。通過分析載荷-位移曲線可分別估算裂紋的起裂功和擴展功。曲線積分與分析過程如圖2(b)所示。
沖擊變形的三個階段分別吸收的能量占比如圖3所示。結(jié)果表明，裂紋萌生功占整個沖擊變形過程的主體部分，而裂紋擴展功的大小關(guān)系到材料的損傷容限能力，提高裂紋擴展功對于材料的沖擊韌性提高也至關(guān)重要，是材料增韌的重要手段之一。同時，經(jīng)過電磁沖擊處理之后，隨著峰值電流密度的提高，總沖擊吸收功逐漸提高，其中3#試樣的沖擊吸收功最高(26.8J),與0號試樣沖擊功(19.5J)相比，提高了37.4%。然而,3#試樣的裂紋擴展功相比0#試樣大幅下降，同時在彈性變形階段吸收的能量也略有降低，其沖擊韌性的提高主要歸因于裂紋萌生功的大幅提升;雖然2#試樣沖擊功略低于3#試樣，但其沖擊變形的三個階段吸收能量相比處理前均有所提升;1#試樣的增韌效果最不明顯,主要體現(xiàn)在沖擊變形的第一階段(彈性變形階段),吸收功降低了66%，雖然其他階段吸收功的提升彌補了這一點,但總體增韌效果最差。綜上,隨著電磁沖擊處理峰值電流密度的提高，抗裂紋萌生能力表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，而抗裂紋擴展能力表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，如圖3(b)所示。
2.2斷口形貌
(未處理試樣),其纖維區(qū)能觀察到明顯的準解理面,表面不平整,準解理面上分布細淺的韌窩,剪切唇區(qū)也能觀察到準解理斷裂的不規(guī)則表面;經(jīng)電磁處理之后,1#試樣纖維區(qū)也分布著明顯的準解理面,且存在較大面積的孔隙，孔隙旁分布著沒有韌窩的不規(guī)則平整表面，這表明其試樣沖擊斷裂過程中發(fā)生明顯的沿晶斷裂，而在剪切唇區(qū)能看到分布密集的云朵形狀表面,這可能是發(fā)生沿晶斷裂的等軸 α相晶界,這與圖3中1#試樣裂紋萌生功最低這一結(jié)果相吻合;2#試樣的纖維區(qū)表面呈現(xiàn)較不明顯的不規(guī)則多邊形狀突起，有較小的孔洞和較大的裂紋，這些缺陷周圍密布細小的韌窩，表現(xiàn)出了較好的損傷容限能力;整體來看,3#試樣的纖維區(qū)寬度相對最窄,剪切唇區(qū)高聳，上下對稱寬而厚，表現(xiàn)出較好的塑性，纖維區(qū)的掃描形貌中，僅能觀察到較細小的孔洞，韌窩分布均勻密集，韌窩細而深，剪切唇區(qū)局部的準解理面也相對較小,這與圖3中3#試樣沖擊吸收功最高這一結(jié)果相吻合。
2.3相組織
圖6為TC11合金試樣的SEM形貌圖。從圖中可以看出,TC11合金的微觀結(jié)構(gòu)是由αp和 β t 組成的兩相結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，經(jīng)過電磁沖擊處理之后，試樣內(nèi)αp晶粒尺寸發(fā)生了變化,一些相鄰的等軸 α晶粒似乎連接在了一起，平均晶粒直徑有所增加。為了更直觀地考察試樣相組成與分布發(fā)生的變化，采用imageproplus軟件對不同試樣的相組成與晶粒粒徑進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。根據(jù)分析結(jié)果可知,與未處理試樣相比,電磁沖擊處理后試樣αp相面積分數(shù)略微有所波動,但αp相晶粒平均直徑相比于未處理的0#試樣有明顯增加，且隨著電磁沖擊處理峰值電流密度的增加而增加,即處理后的試樣αp晶粒發(fā)生了較為明顯的晶粒粗化。
表1電磁沖擊處理前后試樣相組成與晶粒粒徑統(tǒng)計結(jié)果
Table1 Statistical results of phase composition and grain size of samples before and after electromagnetic shock treatment
| 試樣 | αp相面積分數(shù)(%) | αp相晶粒平均直徑 /μm |
| 0 | 67.8 | 8.87 |
| 1 | 68.1 | 9.17 |
| 2# | 66.4 | 11.23 |
| 3# | 65.9 | 12.57 |
2.4TEM分析
進一步，取0#試樣和3#試樣進行TEM觀察，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過電磁沖擊處理之后，TC11鈦合金的界面處發(fā)生了明顯的變化，未處理的0#試樣中觀察到的界面普遍清晰分明。但在電磁沖擊處理后的3試樣中頻繁觀察到界面在寬度上明顯有所增加，從形態(tài)上看，其在納米尺度上出現(xiàn)了條紋狀界面。
3、分析與討論
圖2~5實驗結(jié)果表明，電磁沖擊處理能顯著提高TC11鈦合金的沖擊韌性(最高提升了37.4%),但隨著峰值電流密度逐漸提高，對裂紋萌生及擴展過程具有不同的影響，對沖擊韌性的提升幅度也不同。
對于TC11鈦合金來說，其宏觀性能通常是微觀結(jié)構(gòu)對力學響應的反映。由圖6可知,引入電磁能量之后，部分αp晶粒之間相互連接在了一起，發(fā)生了比較明顯的晶粒粗化,同時,圖7表明電磁沖擊處理后TC11鈦合金形成了典型的條紋界面，原因可能是,在適當熱激活的前提下,電磁振蕩引起的循環(huán)動應力 [14−15]會使界面發(fā)生“起皺或折疊”,形成這種波浪或條紋狀的界面,促進界面橋接,在一定程度上會加強界面處的連通性，有利于提高固體合金的力學性能[16-17]。可以推測,隨著電磁沖擊峰值電流密度的增加,TC11鈦合金試樣(1#、2#和3#)橋接程度逐漸增強。因此，對于1#試樣，由于引入的電磁能量較低,界面橋接程度較低,一般情況下裂紋在變形過程中大多從晶界處形核，這會促使裂紋向晶界處偏轉(zhuǎn)，反而加速了裂紋的擴展過程，與此同時，1#試樣伴隨著一定程度的αp晶粒粗化,有研究證實[18]晶粒粗化會同時降低材料的強度和塑性，在變形過程中優(yōu)先變形，更易產(chǎn)生應力集中而開裂[19]，因此在變形初始階段，較小的外部應力便可以使晶界處的局部微觀區(qū)域產(chǎn)生足夠大的應力誘導裂紋萌生，宏觀上表現(xiàn)為1#試樣裂紋萌生功相比與未處理試樣反而有所降低，在斷口形貌中也觀察到了圍繞脆性α相的沿晶斷裂，1#試樣的整體塑性也因此降低。對于峰值電流密度有所增加的2#試樣，電磁沖擊引起的界面橋接作用增強，對2#試樣沖擊功的提升起主導作用，具體分析為，與0#試樣相比，一方面，增強的界面橋接能夠有效改善界面處局域應變集中，緩解裂紋萌生,使2#試樣在沖擊變形過程中的彈性階段和塑性階段的吸收功均得到增加，另一方面，在裂紋擴展過程中，即使界面橋接會誘導裂紋沿界面擴展，增強的界面橋接作用也會提升2#試樣在斷裂失效階段的吸收功，因此2#試樣的裂紋萌生功和擴展功相比于0#試樣均有明顯提升;然而，與其他試樣相比，隨著峰值電流密度的進一步提高,3#試樣變形過程中塑性變形階段吸收功最高，但裂紋擴展功明顯降低，可能的原因是，在變形階段中，較強的界面橋接效應可有效緩解裂紋萌生，大幅提升裂紋萌生功，但是晶粒粗化程度的增加則可能導致3#試樣在斷裂失效過程中裂紋擴展路徑縮短，明顯降低裂紋擴展功。因此，界面橋接和晶粒粗化的共同作用最終導致3#樣中沖擊斷裂過程中不同階段吸收功此消彼長的現(xiàn)象。以上分析表明:在較低的表面溫升條件下(153.6℃),隨著峰值電流密度的不斷提高，電磁沖擊處理引起了TC11合金不同程度的界面橋接和晶粒粗化，這二者同時對TC11鈦合金裂紋生長過程產(chǎn)生影響，整體上能起到提高鈦合金沖擊韌性的作用。
4、結(jié)論
(1)在較低試樣表面溫升條件下(低于160℃)，隨著電磁沖擊峰值電流密度的增加，TC11鈦合金試樣裂紋萌生功逐漸增加，裂紋擴展功先增大后減小，試樣總沖擊功逐漸增加。
(2)與未處理試樣相比，隨著電磁沖擊峰值電流密度的增加(108.6、120.6和132.6A/mm2),TC11鈦合金試樣的沖擊韌性分別提升了3.5%、32.3%和37.4%。
(3)隨著電磁沖擊峰值電流密度的增加，低能電磁沖擊處理有利于TC11鈦合金條紋晶界的形成,促進界面橋接,改善界面連通性,同時引起局部區(qū)域等軸α晶粒合并，從而發(fā)生了一定程度的晶粒粗化。提高鈦合金沖擊韌性的主要因素是界面橋接。
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（注，原文標題：低能電磁沖擊處理對TC11鈦合金沖擊斷裂過程的影響_段亞軒）
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