热等静压处理增材制造Ti-6Al-4V合金高温环境高周疲劳行为研究

近年来，增材制造(Additive Manufacturing, AM)Ti-6Al-4V合金因其在航空航天和燃气轮机行业中的应用而受重视，其不仅具有传统制造钛合金的耐高温和高比强度等优异性能，还具备快速生产和复杂构造成形的能力。考虑到航空发动机等众多钛合金部件在高温环境高周疲劳(High Cycle Fatigue, HCF)状态下服役，深入理解钛合金在高温下疲劳行为和失效机制，对保障结构安全性和可靠性至关重要。北京交通大学、中国科学院力学研究所和西北工业大学的研究团队，近期在对经热等静压(Hot isostatic pressing, HIP)处理的AM Ti-6Al-4V合金在高温下的高周疲劳行为进行研究时发现，HIP处理可大幅减少表面缺陷或内部孔隙，进而避免AM Ti-6Al-4V合金因这些缺陷导致疲劳开裂和失效。因此，经HIP处理的AM Ti-6Al-4V合金相比未经HIP处理的AM Ti-6Al-4V合金(采用相同AM技术)展现更高的疲劳强度(图1(a2))。同时，和传统工艺制造的Ti-6Al-4V、TC17、Ti60等钛合金相比，经HIP处理的AM Ti-6Al-4V合金在400℃下同样展现良好的疲劳性能(图1(a2))，其中在>106次循环寿命时，本研究的AM Ti-6Al-4V合金具有和传统工艺制造的TC17合金相当的疲劳强度。图1. (a1)本研究AM Ti-6Al-4V合金在室温、200 °C和400 °C下的SN曲线；(a2) 本研究AM Ti-6Al-4V合金和未经HIP处理的AM Ti-6Al-4V合金、传统Ti-6Al-4V、TC17、Ti60等钛合金在高温疲劳中的性能对比；(b1)和(b2)分别为200°C和400°C下疲劳试样表面变形的SEM（Scanning Electron Microscope）观测；(c1) EBSD观测区域示意图，位于裂纹萌生位置下方约600 μm处；(c2)和(c3) 分别为200°C测试试样的内部纵剖面的BC图和KAM图(σa=440 MPa, Nf=7.1×106cycles)；(c4)和(c5) 分别为400°C测试试样的内部纵剖面的BC图和KAM图 (σa=440 MPa, Nf=3.0×106cycles)。此外，研究结果表明在200℃和400℃的疲劳试验中，AM Ti-6Al-4V合金表现出不同的疲劳裂纹起源机制。200℃时，该温度不足以在试样表面形成氧化富集层(Oxide Rich Layer, ORL)，试样表面剪切变形和局部塑性应变累积诱导裂纹萌生(图1(b1))；而400℃时，试样表面较硬ORL的形成使得表面相对平整(图1(b2))，但表面ORL开裂产生微小横向直线裂纹，进而可促使表面疲劳裂纹萌生。同时，EBSD (Electron Backscatter Diffraction)对试样剖面的分析表明，200℃的试样在表面及次表面区域发生了显著塑性变形(图1(c2)和(c3))，而400℃的试样则显示出集中在表面的塑性变形(图1(c4)和(c5))，这些结果进一步支持了上述分析。针对400℃时表面ORL对AM Ti-6Al-4V合金疲劳行为的影响，研究发现，当疲劳载荷较高时，试样表面局部塑性变形会促进ORL开裂产生横向直线裂纹，并进一步诱发表面疲劳裂纹萌生和扩展失效。这样，试件就会展现较短疲劳寿命；而低载荷下表面较硬ORL可在一定程度上限制表面挤压和塑性变形，延缓损伤积累，从而延长了疲劳寿命。本研究中未观察到因内部裂纹而失效的试件，即经热等静压处理的AM Ti-6Al-4V合金在高温下的疲劳裂纹萌生主要依赖于表面变形和表面氧化的协同作用，而非内部裂纹起源。这一发现指出，通过表面强化策略，可进一步提升热等静压处理后该合金在高温下的疲劳承载能力。这项研究不仅为增材制造技术在航空航天等领域的应用提供重要数据，也为提高AM材料升温疲劳性能提供建议，相关成果发表在Int. J. Fatigue期刊上。Int. J. Fatigue 2024,184: 108287. 通讯作者: xulong@nwpu.edu.cn (龙旭)