引言
具有典型（α+β）相的鈦合金表現(xiàn)出高比強度和良好的耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域中的壓氣機盤、葉片、鼓等結(jié)構(gòu)件[1-3]。隨著工業(yè)化程度的提高，工程結(jié)構(gòu)件的服役可靠性要求越來越高，這就要求材料性能需進(jìn)一步優(yōu)化。其中，沖擊韌性作為衡量材料抗裂紋擴(kuò)展能力的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響結(jié)構(gòu)件的安全設(shè)計，成為當(dāng)前研究的重點方向。鈦合金的沖擊韌性與界面微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，如微裂紋易在初生α晶界處形核，裂紋擴(kuò)展時在相界和晶界處偏轉(zhuǎn)可以提高裂紋擴(kuò)展能量[4-5]。這些發(fā)現(xiàn)揭示了界面工程對鈦合金性能優(yōu)化的巨大潛力。
電磁沖擊處理是利用電磁脈沖能量，如電脈沖、磁脈沖（脈沖磁場）或激光脈沖來改變固體合金組織和性能的一種加工方法，已得到廣泛研究[6-7]。作者在前期的研究工作中發(fā)現(xiàn)，低能電磁沖擊處理引發(fā)的電磁非熱效應(yīng)可以與一定的焦耳熱效應(yīng)發(fā)生耦合作用[8]，可以在合金表面溫度遠(yuǎn)低于其熔點的情況下選擇性地促進(jìn)界面微結(jié)構(gòu)演變[9-11]，從而影響合金沖擊韌性。鍛態(tài)網(wǎng)籃組織TC11鈦合金具有相對不穩(wěn)定的高能相界，推測在進(jìn)行低能電磁沖擊處理時，這些高能相界容易被電磁沖擊能量激發(fā)并發(fā)生演變，但是目前未見這方面的研究報道。作者采用低能電磁沖擊技術(shù)對鍛態(tài)網(wǎng)籃組織TC11鈦合金進(jìn)行處理，研究了在合金表面溫度不超過200℃條件下合金界面微觀結(jié)構(gòu)以及沖擊韌性的演變。
1、試樣制備與試驗方法
試驗材料為西北有色金屬研究院提供的Ti6.5Al-1.5Zr-3.5Mo-0.3Si（TC11）棒狀鈦合金，實測化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/％）為6.1Al，1.4Zr，3.0Mo，0.3Si，余Ti，熱處理狀態(tài)為鍛態(tài)。通過線切割方法將棒狀鈦合金加工成尺寸為5mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，對試樣端面進(jìn)行打磨后，采用自制的電磁沖擊處理設(shè)備進(jìn)行低能電磁沖擊處理。低能電磁沖擊處理的占空比為9.09，頻率為50Hz，峰值電流密度為57.9A·mm?2，沖擊時間分別為0.44，0.88，1.32，1.76s。對比試樣為未經(jīng)過低能電磁沖擊處理的合金（沖擊時間為0）。在試驗過程中采用Fotric-226型紅外熱像儀實時測定試樣表面溫度，整個沖擊過程中試樣表面最高溫度均低于200℃。
在處理后的試驗合金中部截取金相試樣，經(jīng)過打磨、拋光，用體積比1.5∶4∶100的HF+HNO3+H2O溶液腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡（OM）觀察截面顯微組織。使用Image-pro6.0軟件對相組織占比進(jìn)行統(tǒng)計。在處理后的試驗合金中部截取試樣，經(jīng)機械研磨至厚度為100μm后進(jìn)行離子減薄，采用TaolF200S型透射電鏡（TEM）觀察微觀結(jié)構(gòu)，采用掃描電鏡附帶的能譜儀（EDS）進(jìn)行元素面掃描。按照GB/T229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用夏比沖擊試驗機進(jìn)行無缺口夏比沖擊試驗，試驗溫度為室溫，進(jìn)行3次平行試驗，取平均值。采用JSM-IT800型掃描電鏡（SEM）觀察沖擊斷口形貌。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1微觀結(jié)構(gòu)
由圖1可以看出：未進(jìn)行低能電磁沖擊處理的試驗合金為典型的雙相（α+β）合金，組織呈網(wǎng)籃狀，由白色層狀α相和黑色β相構(gòu)成，原始β晶界碎化；經(jīng)低能電磁沖擊處理后，網(wǎng)籃狀初始組織結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。相比于未進(jìn)行低能電磁沖擊處理的合金，經(jīng)0.44s低能電磁沖擊后試驗合金中α片層組織致密程度降低，局部區(qū)域球化而形成鏈狀等軸組織，推測其為原始β晶界區(qū)域[12]；0.88，1.32s低能電磁沖擊后試驗合金的α片層組織致密程度提高，β相面積占比增大；1.76s沖擊時間下α層狀組織的致密程度最高，與1.32s沖擊時間下相比β相未見明顯增多。當(dāng)沖擊時間為0，0.44，0.88，1.32，1.76s時，試驗合金中α相占比分別約為73.1％，70.9％，69.3％，69.4％，73.9％，可知隨著低能電磁沖擊時間的延長，α相占比先減小后增大，相應(yīng)地β相占比先增大后減小。
由圖2可以看出：未進(jìn)行低能電磁沖擊合金的α/β相界面呈明顯的規(guī)則線形，鉬元素分布界面平直；低能電磁沖擊0.44s后α/β相界面區(qū)域存在一定寬度的中間相層，部分（區(qū)域1）為β相層，部分（區(qū)域2）為α″相層，鉬元素分布界面波折。可知，低能電磁沖擊促使合金元素發(fā)生跨界面遷移，相界面處發(fā)生相變，從而形成中間相層。
2.2沖擊韌性
由圖3可以看出：隨著低能電磁沖擊時間的延長，試驗合金的沖擊吸收能量先增大后減小；當(dāng)?shù)湍茈姶艣_擊時間為0.44s時，沖擊吸收能量最大，與未沖擊合金相比提高約14.1％；當(dāng)?shù)湍茈姶艣_擊時間長于0.88s時，沖擊吸收能量低于未沖擊合金。試驗合金組織中的α相為密排六方結(jié)構(gòu)，變形兼容性較差，有利于強度的提高[13]，而β相為體心立方結(jié)構(gòu)，變形兼容性較好，對于塑性、韌性的提高更有利，能夠緩解裂紋萌生和抑制裂紋擴(kuò)展[14]。隨著低能電磁沖擊過程的進(jìn)行，試驗合金中的β相占比先增大后減小，因此沖擊吸收能量先增大后減小。低能電磁沖擊0.44s后，α/β相界面處發(fā)生一定程度的相變，導(dǎo)致整體β相含量略微升高，從而有利于強度與塑性的提高[13-18]。同時，低能電磁沖擊0.44s后，試驗合金α/β相界面處出現(xiàn)的鏈狀等軸組織有利于合金沖擊韌性的提升[16-17]。因此，0.44s低能電磁沖擊試驗合金的沖擊韌性最好。
2.3沖擊斷口形貌
由圖4可以看出：低能電磁沖擊前后試驗合金的沖擊斷口均由韌窩和解理面構(gòu)成；與未沖擊試驗合金相比，低能電磁沖擊試驗合金的韌窩更淺更密，解理面面積占比更小，說明合金的韌性更好。綜上，合適的低能電磁沖擊處理（沖擊時間0.44s）可使TC11鈦合金β相含量有一定程度的增加，α/β相界面處產(chǎn)生中間相層以及局部球化，這種組織緩解沖擊裂紋萌生及抵抗裂紋擴(kuò)展的能力更強，因此沖擊斷口的解理面區(qū)域更少，韌窩分布更密集，沖擊韌性更好。
3、結(jié)論
（1）低能電磁沖擊（沖擊過程中合金表面最高溫度低于200℃）促使TC11鈦合金發(fā)生一定程度的相變，在低能電磁沖擊過程中，β相占比先增大后減小，α相致密程度先降低后升高。
（2）隨著低能電磁沖擊時間的延長，試驗合金的沖擊吸收能量先增大后減小，當(dāng)沖擊時間超過0.88s后，沖擊吸收能量低于未沖擊試驗合金。當(dāng)?shù)湍茈姶艣_擊時間為0.44s時，沖擊吸收能量最大，為170.5J，相比于未沖擊試驗合金提升約14.1％；沖擊韌性的提高與β相含量的增加、α/β相界面處產(chǎn)生的中間相層和局部球化有關(guān)。
參考文獻(xiàn)：
[1]闞延勇，蘇方正，徐曦榮，等. 工業(yè)用鈦及鈦合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀 [J]. 上海化工，2023，48（6）：58-61.
KAN Y Y，SU F Z，XU X R，et al. Application status of industrial titanium and titanium alloy materials[J].Shanghai Chemical Industry，2023，48（6）：58-61.
[2]楊健. 鈦合金在飛機上的應(yīng)用 [J]. 航空制造技術(shù)，2006，49（11）：41-43.
YANG J. Application of titanium alloy in aircraft[J].Aeronautical Manufacturing Technology， 2006， 49（11）：41-43.
[3]ZHU Y Y，TIAN X J，LI J，et al. Microstructure evolution and layer bands of laser melting deposition Ti-6.5Al3.5Mo-1.5Zr-0.3Si titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds，2014，616：468-474.
[4]HUANG S X，ZHAO Q Y，ZHAO Y Q，et al. Toughening effects of Mo and Nb addition on impact toughness and crack resistance of titanium alloys[J]. Journal of Materials Science & Technology，2021，79：147-164.
[5]WEN X， WAN M P， HUANG C W， et al. Effect of microstructure on tensile properties，impact toughness and fracture toughness of TC21 alloy[J]. Materials & Design，2019，180：107898.
[6]ZHOU J，LIU C，WU Y Y，et al. Evolution mechanism of grain orientation and texture distribution of Ti-6.5Al3.5Mo-1.5Zr-0.3Si alloy under electroshocking treatment[J]. Journal of Materials Research and Technology，2023，25：5693-5704.
[7]SONG Y L， WANG Z Q， YU Y Q， et al. Fatigue life improvement of TC11 titanium alloy by novel electroshock treatment[J]. Materials & Design， 2022，221：110902.
[8]SUN Q，HUA L. Micro texture of titanium alloys excited nonlinearly by electromagnetic pulse[J]. Scripta Materialia，2021，200：113828.
[9]SUN Q， YU Y M， WANG F. A novel electromagnetic shock treatment to selectively modify grain boundary and improve the corrosion resistance of aluminium alloy[J].Materials Letters，2023，334：133703.
[9]SUN Q， WANG H J， YU S， et al. Reducing stress corrosion cracking susceptibility of high-strength aluminum alloy and its fastener by a novelelectromagnetic shocking treatment[J]. Journal of Alloys and Compounds，2023，960：170917.
[10]LI Y F， WANG F L， SUN Q， et al. Study on the microstructure and impact toughness of TC11 titanium alloy by a novel electromagnetic shocking treatment[J].Materials Science and Engineering：A，2023，876：145149.
[11]LI Y F， WANG F L， SUN Q， et al. Study on the microstructure and impact toughness of TC11 titanium alloy by a novel electromagnetic shocking treatment[J].Materials Science and Engineering：A，2023，876：145149.
[12]DOHERTY R D，HUGHES D A，HUMPHREYS F J， et al. Current issues in recrystallization： A review[J].Materials Science and Engineering：A，1997，238（2）：219-274.
[13]ZHANG X， ZHANG J J， YAO Y K， et al. Anomalous enhancing effects of electric pulse treatment on strength and ductility of TC17 linear friction welding joints[J].Journal of Materials Science & Technology， 2024， 203：155-166.
[14] LEI L，ZHAO Y Q，ZHAO Q Y，et al. Impact toughness and deformation modes of Ti-6Al-4V alloy with different microstructures[J]. Materials Science and Engineering：A，2021，801：140411.
[15]ZHOU Y C，XU X F，ZHAO Y，et al. Introducing ω and O' nanodomains in Ti-6Al-4V： The mechanism of accelerating α→β transformation kinetics viaelectropulsing[J]. Journal of Materials Science &Technology，2023，162：109-117.
[16]DAVARI N， ROSTAMI A， ABBASI S M. Effects of annealing temperature and quenching medium on microstructure， mechanical properties as well as fatigue behavior of Ti-6Al-4V alloy[J]. Materials Science and Engineering：A，2017，683：1-8.
[17]ZHANG S Y， LI J S， KOU H C， et al. Microstructure evolution of isothermal holding treatment during melt solidification of Ti-6Al-4V alloy[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，25（4）：1091-1096.
[18]張欣雨，毛小南，王可，等. 典型 α+β 鈦合金組織對靜態(tài)和動態(tài)性能的影響 [J]. 材料導(dǎo)報，2021，35（1）：1162-1167.
ZHANG X Y，MAO X N，WANG K，et al. The influence of microstructure on the static and dynamic properties in typical α+β titanium alloy[J]. Materials Reports， 2021，35（1）：1162-1167.
（注，原文標(biāo)題：低能電磁沖擊對TC11鈦合金顯微組織和沖擊韌性的影響）
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