轧制变形钛合金的高周疲劳性能

TC1和TC2均属于Ti-Al-Mn系α+β型钛合金，在室温平衡状态下由α相和少量β相组成。该合金具有较高强度、良好的成型性能和焊接性能，通常用板材冲压加工成薄壁型零件，并经过焊接制成飞机蒙皮及前进气罩帽等构件，已在航空航天工业中得到广泛应用。TC1和TC2钛合金在化学成分上的主要差异是α相稳定元素Al的含量不同，其中TC1钛合金的Al含量约为2%，而TC2钛合金的Al含量则为4%左右。作为一种航空结构材料，各种类型的疲劳失效是其在服役期间的主要破坏形式之一。因此，人们针对钛合金的疲劳行为进行了系统的研究，确定了显微组织、加工处理等因素对一些商业化钛合金的疲劳性能及疲劳断裂行为的影响规律。然而，关于TC1和TC2钛合金的疲劳行为特别是高温疲劳性能方面的研究则鲜见报道。基于此，本文主要研究了TC1和TC2钛合金热轧板材在不同实验温度下的高周疲劳性能，总结了实验温度对不同轧制方向的TC1和TC2钛合金板材高周疲劳性能的影响规律，并对两种钛合金在不同温度下的高周疲劳性能进行了比较，以期为两种钛合金板材在航空工业中的可靠应用以及在相关结构件的抗疲劳设计提供必要的依据。

实验所用材料为TC1和TC2钛合金热轧板材，其厚度为5mm。将TC1合金板材分别沿着平行于轧制方向(LD方向)和垂直于轧制方向(TD方向)加工成标距长度15mm、宽度7mm、厚度5mm的疲劳试样。为去除机械加工划痕，确保试样标距及过渡弧部分的光洁度，采用不同粒度的砂纸对试样标距及过渡弧部分进行磨光。所有疲劳试验均在最大加载能力为±50kN的PLD-50型电液伺服疲劳试验机上进行。采用轴向拉-拉应力控制模式，应力比R=0.1。实验环境为实验室静态空气介质，实验温度分别为25(室温)、200和300℃。所采用的波形均为三角波，采用的循环频率为10Hz。各个实验均进行至试样断裂时为止，且以断裂时所对应的循环周次作为相应实验条件下的疲劳寿命。

相同的最大循环应力下，平行于和垂直于轧制方向的TC1和TC2钛合金板材的高周疲劳寿命均随着实验温度的升高而降低;实验温度越高，平行于和垂直于轧制方向的TC1和TC2钛合金板材的疲劳极限则越低。当实验温度相同时，在相同的最大循环应力下，平行于和垂直于轧制方向的TC2钛合金板材的疲劳寿命均高于TC1钛合金板材;不同实验温度下，TC2钛合金板材的高周疲劳寿命和疲劳极限均明显高于相同轧制方向的TC1钛合金板材。