塑性成形技術(shù)航空科技重點實驗室 李曉華 蓋鵬濤 曾元松

中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所 畢金英

空軍駐北京地區(qū)代表室 史一寧

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 劉佳佳

損傷容限特性對飛機(jī)的使用壽命起著關(guān)鍵性作用，近年來隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，對飛機(jī)的使用壽命要求越來越高，因此對鈦合金主承力構(gòu)件的損傷容限性能也提出了更高的要求。采用損傷容限特性較好的新型鈦合金材料是改善鈦合金性能的方法之一，但需要針對新型材料開展大量基礎(chǔ)工藝研究，而采用能提高損傷容限特性的鈦合金結(jié)構(gòu)形式是更為有效的途徑[1-7]。鈦合金擴(kuò)散連接層合結(jié)構(gòu)就是為適應(yīng)這種需求而提出的一種新型結(jié)構(gòu)，它通過擴(kuò)散連接技術(shù)將多層鈦合金板擴(kuò)散焊成復(fù)合厚板,其板料層數(shù)、厚度均可設(shè)計, 由于擴(kuò)散連接界面的存在，對裂紋擴(kuò)展具有顯著的抑制作用，從而改善結(jié)構(gòu)的耐久性、提高結(jié)構(gòu)的損傷容限性能，鈦合金層合結(jié)構(gòu)已成為超塑成形/擴(kuò)散連接應(yīng)用技術(shù)的一個新方向，具有顯著的應(yīng)用前景[8-13]。為了提高鈦合金接頭的損傷容限性能, 本文設(shè)計了含圓形擴(kuò)散止焊區(qū)的鈦合金層合接頭，在對其安全性進(jìn)行數(shù)值分析基礎(chǔ)上，制造了鈦合金層合接頭樣件，針對鈦合金層合接頭設(shè)計典型結(jié)構(gòu)試樣并進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗，通過與原始板材的疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展壽命相對比，結(jié)果表明含止焊區(qū)的層合板能改善鈦合金的裂紋擴(kuò)展特性。該研究成果為高損傷容限鈦合金擴(kuò)散連接層合結(jié)構(gòu)在機(jī)翼梁、框等異型截面構(gòu)件上的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 鈦合金層合接頭設(shè)計和安全性分析

1.1 鈦合金層合接頭設(shè)計

鈦合金接頭是某型飛機(jī)上連接機(jī)身主體和艙門的主要承力構(gòu)件，原加工工藝為鈦合金厚板或鍛件機(jī)加，其連接孔處因受力復(fù)雜成為該構(gòu)件產(chǎn)生疲勞裂紋的主要位置，為提高該結(jié)構(gòu)的損傷容限性能，在連接孔處增加了層合結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖1，采用多層鈦合金板擴(kuò)散連接的方法實現(xiàn)在連接孔處預(yù)制止焊界面。鈦合金接頭最大厚度為60mm，連接孔處孔徑為φ16mm，參考層合試驗件的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，在接頭中增加四處止焊界面，擴(kuò)散連接層合板依次為22mm+4mm+8mm+4mm+22mm，止焊區(qū)直徑為Φ26mm，其余部位則需保證擴(kuò)散連接質(zhì)量，以滿足整體性能要求。

圖1 鈦合金層合接頭的基本結(jié)構(gòu)形式Fig1 Basic structure form of titanium alloy laminated joint

1.2 鈦合金接頭安全性分析

采用有限元分析軟件Abaqus對鈦合金接頭進(jìn)行靜力分析。鈦合金接頭連接孔處載荷為：X=300N、Y=40000N、Z=15000N，并設(shè)定相應(yīng)的邊界約束，如圖2所示，將圖中所選區(qū)域均設(shè)為固定約束。采用四面體單元對鈦合金接頭進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，承載后的等效應(yīng)力分布情況如圖3所示。從圖中可以看出，鈦合金接頭的最大應(yīng)力產(chǎn)生在區(qū)域A，且最大值也僅為950MPa，小于材料的強度極限；其余區(qū)域也產(chǎn)生了部分應(yīng)力，但值均較小。因此，鈦合金接頭結(jié)構(gòu)承受載荷時，其強度滿足安全性要求。

圖2 零件的邊界約束Fig2 Boundary constraint of part

圖3 零件等效應(yīng)力分布情況Fig3 Equivalent stress distribution of part

2 鈦合金層合接頭制造

2.1 層合接頭制造過程

采用多層Ti6Al4V鈦合金板材對稱鋪放擴(kuò)散連接成厚板，考慮到加工余量，鋪放順序為24 mm +4 mm +8 mm +4 mm +24mm，其中24mm厚板采用3層8mm厚板材替代。擴(kuò)散連接前在連接孔處涂敷止焊劑，預(yù)制止裂界面，止焊區(qū)直徑φ26mm，止焊區(qū)孔中心與接頭連接孔中心重合。擴(kuò)散連接工藝為：擴(kuò)散壓力1.5MPa，擴(kuò)散溫度900～920℃，保壓90min，爐冷至580℃以下出爐，在空氣中冷卻。采用數(shù)控銑切的方法精確加工層合接頭的外型輪廓，并保證止裂界面孔心位置的準(zhǔn)確性和對稱性。

2.2 層合接頭性能分析

從鈦合金層合接頭擴(kuò)散連接后的工藝預(yù)留邊上取樣進(jìn)行金相顯微組織、擴(kuò)散連接質(zhì)量、力學(xué)性能和氫氧含量等理化性能檢測。檢測結(jié)果表明，超聲波無損檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，擴(kuò)散焊合率達(dá)到95%以上；金相試樣從擴(kuò)散連接界面處截取，觀察試樣組織為等軸α+β，等軸晶粒度約9級，經(jīng)過熱循環(huán)后晶粒發(fā)生了長大和粗化現(xiàn)象，界面焊合區(qū)域的晶粒組織無異常，擴(kuò)散連接處實現(xiàn)了完全的高質(zhì)量焊合，保證了樣件的整體性能。室溫拉伸強度測試結(jié)果如表1，氫氧分析結(jié)果如表2，各項檢測均能滿足一般對鈦合金構(gòu)件的設(shè)計要求。

表1 室溫拉伸性能測試結(jié)果

表2 鈦合金層合樣件氫、氧含量

3 鈦合金層合結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展性能對比分析

3.1 試驗材料和試驗條件

根據(jù)鈦合金層合接頭設(shè)計典型結(jié)構(gòu)試驗件進(jìn)行鈦合金層合結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展性能試驗，試驗件原材料為Ti6Al4V鈦合金板材, 其主要化學(xué)成分及組成如表3所示。

試驗件分為3種類型，其厚度和外形加工尺寸相同，一種采用8mm厚原始板材直接加工成試件，一種為4層2mm厚板擴(kuò)散連接板結(jié)構(gòu)，一種為內(nèi)部含φ15mm止焊區(qū)的擴(kuò)散連接4層板結(jié)構(gòu)，見圖4，其擴(kuò)散連接工藝為：壓力1.5MPa，900～920℃，保溫90min，爐冷至580℃，空冷至室溫。在試件中心加工φ6mm的孔，對含Φ15止焊區(qū)的試驗件，孔的中ε˙心與止焊區(qū)中心重合。

表3 Ti6Al4V鈦合金主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

圖4 含Φ15mm止焊區(qū)的光孔試驗件Fig.4 Diffusion bonding laminate with Φ15mm no-welded area

試驗在MTS880～500kN疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行，室溫大氣環(huán)境，試件加載方式為軸向拉-拉，采用應(yīng)力比為R=0.1的等幅譜以正弦波形式施加，頻率f=6Hz，試驗的最大應(yīng)力σmax=300MPa，試驗中施加應(yīng)力比R=0.7的標(biāo)識載荷，以構(gòu)成二級塊譜，試驗中觀測裂紋擴(kuò)展過程，采用表面直讀測試系統(tǒng)讀取裂紋尺寸，試驗做至試件斷裂，記錄總壽命。

3.2 疲勞壽命對比分析

取沿孔徑方向裂紋長度a0=0.8mm對應(yīng)的壽命為裂紋萌生壽命N0。根據(jù)斷口判讀得到的（a，N）數(shù)據(jù)，采用三點lagrange插值方法計算a0=0.8mm對應(yīng)的壽命，并由總壽命NC計算裂紋擴(kuò)展壽命NG=NC-N0，得到的各試件裂紋萌生和擴(kuò)展壽命。假定疲勞壽命服從對數(shù)正態(tài)分布lgN～N(μ,σ2) ，按下式估計分布參數(shù)：

式中，n為試件數(shù)，N50為中值壽命。由此估計得到裂紋萌生壽命和擴(kuò)展壽命的分布參數(shù)見表4。

采用正割法由（a，N）數(shù)據(jù)求得[a(N),da/dN]數(shù)據(jù)，設(shè)有m對（a，N）數(shù)據(jù)，其中（da/dN）；對應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率 用下式求得

上述試件的（a，da/dN）數(shù)據(jù)擬合曲線見圖7。

從表4和圖5可以看出，含φ15止焊區(qū)擴(kuò)散連接四層板的疲勞裂紋擴(kuò)展速率比原材料板的低。因此，可以推測在鈦合金接頭的連接孔處增加層合界面設(shè)計，也可以降低接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，即提高接頭的損傷容限性能。

表4 裂紋萌生和擴(kuò)展壽命分布參數(shù)

圖5 3類試件的裂紋擴(kuò)展速率擬合曲線Fig.5 Fitted da/dN curve of three kinds of test pieces

4 結(jié)論

（1）含Φ15止焊區(qū)的Ti6Al4V鈦合金擴(kuò)散連接層板結(jié)構(gòu)與同厚度板材相比，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率有所降低，通過在孔邊預(yù)制環(huán)形止焊區(qū)的方法可以實現(xiàn)提高試驗件的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的目的。

（2）鈦合金主承力層合接頭的設(shè)計比較合理，采用現(xiàn)有擴(kuò)散連接工藝技術(shù)實現(xiàn)了層合接頭的制造，驗證了工藝可行性，其微觀組織和各項性能等基本能滿足對一般鈦合金的設(shè)計使用要求。

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