鈦合金因具有高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的力學性能，已成為航空、航天領域關鍵承力構件制造的重要材料。飛機起落架需要長期承受極端復雜的運行工況，飛機降落/起飛階段起落架裝置需要面臨巨大的荷載沖擊，同時伴隨著高頻次的交變振動作用。鈦合金因具有高強度、低密度、優(yōu)異的耐腐蝕性能以及較高的力學穩(wěn)定性，其已成為我國航空、航天領域高端裝備的核心結構材料，在極端服役環(huán)境中發(fā)揮著關鍵性作用[1-6]。對于TC21鈦合金材料而言，其抗拉強度可達到1100~1200MPa，疲勞極限(107周次)可達600MPa，兼具高斷裂韌性和優(yōu)異的抗疲勞性能，可在復雜多變的溫度區(qū)間內實現(xiàn)穩(wěn)定服役，因此被廣泛應用在航空、航天領域的高精密、高強度裝備制造[7-9]。然而，TC21鈦合金在焊接、減材制造、鍛造等加工過程中，容易受加工溫度梯度、交變荷載和相變的影響，表面缺口敏感性高且易發(fā)生疲勞失效，這將嚴重制約其在極端復雜工況環(huán)境下的應用潛力[10-13]。

熱振復合處理的工作原理是通過熱處理降低材料的屈服強度，進而促進材料內部的原子擴散，再輔以振動時效處理來引發(fā)材料發(fā)生微觀塑性變化，以此實現(xiàn)殘余應力的有效釋放和微觀組織再次優(yōu)化，最終提升材料的力學性能與服役強度。國內外學者圍繞熱振復合處理的工藝參數(shù)、作用機制和性能調控等方向展開研究，并形成了一系列成果[14-19]。哈爾濱工業(yè)大學利用熱振復合時效對焊接結構進行應力消除，發(fā)現(xiàn)熱振復合時效能夠有效降低材料的屈服強度和固有頻率[20-21]。中南大學李美春采用熱振時效工藝研究 6061 鋁合金中厚板殘余應力的均化效果，研究發(fā)現(xiàn)當溫度達到其時效強化范圍時再進行振動時效處理，可以同時達到強化和應力均化效果[22]。劉曉霏等人設計出熱振復合應力調控裝置樣機，采用盲孔法進行應力檢測，研究表明樣件的應力值得到有效控制，其可在鋁合金材料加工領域發(fā)揮重要作用[23]。北京科技大學利用熱振復合時效技術對 SLM-AlSi10Mg 合金殘余應力和力學性能進行深度研究，結果表明振動時效處理是通過動態(tài)應力和殘余應力的疊加，從而促進微觀應變并增加位錯密度[24]。北京航空航天大學采用熱應力和振動應力結合方式進行殘余應力消除試驗，結果表明熱振時效和熱時效均能消除 Ti6Al4V 材料殘余應力的 90%以上，而熱振時效的消除效率是熱時效的 4.2 倍[25]。

已有研究表明，熱振復合處理在鋁合金、鈦合金及增材制造殘余應力調控等方面具有很大的應用潛力。對于TC21鈦合金而言，其研究大多集中在熱處理、組織性能、疲勞斷裂及焊接殘余應力等方向;不同溫度條件下，熱振復合處理對TC21鈦合金殘余應力演化規(guī)律及斷口形貌特征研究相對有限。因此，本文以TC21鈦合金構件為研究對象，利用自主搭建的殘余應力調控設備開展不同溫度條件下的熱振復合處理試驗，重點研究熱振復合處理對其軸向殘余應力變化規(guī)律的影響，并結合斷口形貌分析討論其斷裂行為特征，以期為TC21鈦合金構件殘余應力調控技術提供理論依據(jù)。

1、試驗與方法

1.1試驗材料

試樣均由同一批次的 TC21鈦合金材料車削加工而成，試樣的結構如圖1所示，零件中部截面部分直徑為7.5mm，零件的總長度為100mm。TC21鈦合金屬于典型的α+β型高強鈦合金，其具有優(yōu)異的韌性及抗疲勞性能，被廣泛應用在航空、航天領域關鍵承力構件加工制造中，例如飛機起落架、機身框架、機翼承載等零件。所有TC21鈦合金試樣均采用相同的加工工藝和裝夾方式進行制備，加工后對所有試樣的外觀、關鍵尺寸及表面狀態(tài)進行了檢查，以此保證試樣之間的加工一致性。殘余應力測試位置位于試樣中部的等直徑區(qū)域，測試點位于試樣中心對稱處，主要觀測不同熱振復合處理溫度條件下的軸向殘余應力變化規(guī)律。因此，在試樣幾何尺寸和表面狀態(tài)基本一致的前提下，車削加工精度差異對殘余應力變化趨勢的影響較小。

該TC21鈦合金包括合金元素及微量雜質元素，主要元素與雜質元素含量見表1。TC21作為一種典型的α+β型高強鈦合金，其合金中的Al元素起到穩(wěn)定α相、增大材料強度作用，Mo、Nb、Cr等元素能夠幫助改善材料的淬透性。此外，Zr元素可提高合金材料的組織穩(wěn)定性并改善其力學性能。與此同時，少量雜質元素例如Fe、C、N、O等，這些元素雖然含量較低，但對材料性能具有顯著的影響。因此，對TC21鈦合金中主要元素及雜質元素的含量進行嚴格控制，可進一步保證材料性能的穩(wěn)定性與可靠性。

表1 TC21鈦合金化學成分(質量分數(shù)%)

1.2熱振復合殘余應力調控設備

本研究采用自主搭建的熱振復合殘余應力調控設備，實現(xiàn)對TC21鈦合金構件的熱振復合處理。該調控設備主要由加熱系統(tǒng)、振動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及專用夾具等組成，設備工作原理如圖2所示，設備整體結構如圖3所示。

熱振復合處理的工作原理是使零件處于熱溫度場環(huán)境中，同步對其施加交變應力載荷，以此實現(xiàn)對零件的熱-振協(xié)同調控，最終促使零件內部殘余應力得以釋放。熱振復合處理設備在工作時，爐腔內部設置的熱電偶元件可實時采集內部溫度，進而輸出信號至溫度控制器;振動控制器亦接收振動信號，從而實現(xiàn)熱溫度場與振動應變場的協(xié)同控制，最終完成零件熱-振復合殘余應力調控。

熱振復合殘余應力調控設備內部的振動板為異型結構，振動板上方用于放置夾具、工件等，夾具與工件采用螺栓固定方式卡緊，以便于將振動載荷有效傳遞至工件。振動板從調控設備側面穿出，振動電機則裝夾在調控設備右側面，用以避免高溫對振動電機產生破壞。振動板底部設置有彈性支撐裝置，由于高頻振動時其會承受較高的周期性交變應力載荷，可設置此結構來進一步提升調控設備的支撐穩(wěn)定性。

如圖4所示，熱振復合處理設備的爐腔內部主要包括振動板、夾具、加熱絲及軸流風機等部件。其中，軸流風機可用于強化爐腔內部空氣循環(huán)，用以提高設備爐腔內部的溫度場均勻性。夾具固定在設備內部振動板上方，利用螺栓將TC21鈦合金固定在夾具上，以此保證電機激振力能夠有效傳遞至零件。熱振復合調控設備能夠實現(xiàn)熱溫度場與振動場的耦合作用，最終可為TC21鈦合金殘余應力的有效調控提供技術支持。

熱振復合處理設備的主要技術指標如下:溫度控制范圍為25~600℃，測試區(qū)域尺寸為1100mm×950mm×900mm，溫度控制精度優(yōu)于±3℃，升溫速率≥10℃/min。本文所采用的激振器型號為SIGZ110-2，其具體技術參數(shù)見表2。

表2 激振器設備技術參數(shù)

1.3試驗設計

本文利用熱振復合處理方法對TC21鈦合金試樣進行熱振試驗，為重點探究熱處理溫度對試樣軸向殘余應力的調控效果，試驗中將振動頻率統(tǒng)一設置為固定值，所有的鈦合金試樣均采用相同的三階段振動工藝，即轉速分別為2800、5200、5600r/min，對應電機振動頻率分別為46.67、86.67、93.33Hz。所有振動時效均采用三階振動形式，需要在試驗真正啟動前，利用加速度傳感器對振動板進行掃頻測試，以精準獲取振動板的三階最大固有頻率，并以此作為后續(xù)振動時效處理的核心參數(shù)。采用共振頻率作為工作頻率是由于當激振頻率接近振動系統(tǒng)的共振頻率時，系統(tǒng)可產生較大的振動響應，從而使能量更充分地傳遞至TC21鈦合金試樣。相比于設置不同振動頻率數(shù)值，共振頻率條件下更有利于熱振復合過程的動態(tài)力傳遞作用。本文所設置的振動頻率參數(shù)并非隨意設置，而是基于掃頻測試結果確定的共振參數(shù)。

熱振復合處理工藝溫度設置為250、300、400、600℃，所有冷卻方式均為隨爐冷卻，所有保溫時間均設置為3h，采用此冷卻方式可有效保證溫度的均勻下降，以此避免因降溫速率過快而使零件產生新的附加應力。本試驗并不是簡單的先熱后振分步處理，而是熱溫度場與交變載荷振動場的同步協(xié)同，試驗過程中需要確保熱溫度與振動時效能量始終共同作用于TC21鈦合金零件。通過加速度傳感器掃頻得出的三階最大固有頻率，并以此作為振動時效工作頻率，三種工作頻率分別持續(xù)振動10min，單個零件總振動時長為30min。采用三階協(xié)同振動方式，可有效消除TC21鈦合金內部不同程度的殘余應力。然而，單一頻率對殘余應力的消除不徹底，采用三種不同振動頻率的應力消除方式，能夠顯著提升零件殘余應力調控的均勻性，最終為TC21鈦合金力學性能的優(yōu)化奠定理論基礎。

為評估熱振復合應力調控設備對TC21鈦合金殘余應力的調控效果，進行零件初始及熱振復合調控后殘余應力的測試，測試設備為X射線殘余應力測試儀，測試過程嚴格遵循《GB/T7704-2017無損檢測X射線應力測定方法》國家標準，該測試方法基于X射線衍射原理并具備極高測試精度與數(shù)據(jù)準確性，能夠精準捕捉零件表面與近表層面的殘余應力。同時，X射線殘余應力測試方法屬于無損檢測，應力測試過程中不需要對TC21鈦合金進行破壞處理，能夠在不損傷零件表面完整性和不影響其力學性能的前提下，完成殘余應力精準檢測，可為殘余應力調控效果對比分析提供可靠的技術支撐。

殘余應力測試點位于TC21鈦合金中部截面部分，主要對其軸向殘余應力進行測試，并以此反映零件中部截面區(qū)域的殘余應力分布狀態(tài)。測試點共有2處，選取零件中間截面任一位置作為測試點1，而該截面部分且與測試點1相對的背部位置為測試點2，兩點在圓周方向的角度為180°，兩點對稱分布，進一步探究中部截面部分殘余應力的分布狀態(tài)，可為分析熱振復合處理對應力的均化效果提供可靠支撐。

2、試驗結果與分析

2.1殘余應力分析

對TC21鈦合金零件進行多次應力調控驗證，工藝路線為"加熱-保溫-振動-爐冷"，熱時效與振動時效相互耦合同步進行，整個試驗過程均在熱振復合殘余應力調控設備中進行，以此確保TC21鈦合金的應力調控準確性。在TC21鈦合金熱振復合處理前后殘余應力測試過程中，每一個樣件均測試其軸向殘余應力數(shù)據(jù)，且每個零件均測試兩個點位，選取點位1為TC21鈦合金零件中間截面任意一點，則點位2為點位1的垂直方向的另一面點位，每1個測試點均測試2次數(shù)據(jù)并取平均值，共設置4個工藝階段，分別為250℃×3h隨爐冷卻×30min振動、300℃×3h隨爐冷卻×30min振動、400℃×3h隨爐冷卻×30min振動、600℃×3h隨爐冷卻×30min振動。

如圖5所示，本文共進行了4組不同溫度條件下的熱振復合處理試驗，熱處理溫度分別為250、300、400、600℃，除熱時效溫度不同，各組試樣的保溫時間、冷卻方式、振動頻率與振動時長均保持一致。由于所有試樣均由同一批次TC21鈦合金經(jīng)相同車削工藝加工制備而成，初始殘余應力狀態(tài)具有一定的一致性。受試驗條件限制，本文只測試了前5個TC21鈦合金零件的初始殘余應力數(shù)據(jù)，用以表征該批試樣的初始殘余應力水平。同時，對所有鈦合金試樣進行了熱振處理后的殘余應力測試，用以分析不同溫度條件下的殘余應力演化規(guī)律。

測試結果表明，TC21鈦合金試樣經(jīng)熱振復合處理后，其軸向殘余應力整體處于較高的壓應力狀態(tài)，前5件試樣的初始殘余應力平均值為-519.6MPa。經(jīng)過不同溫度條件下的熱振復合處理后，試樣軸向殘余應力絕對值均較初始參考值出現(xiàn)不同程度降低。其中，250℃工藝階段熱振后殘余應力數(shù)值為-361.8MPa，300℃工藝階段熱振后殘余應力數(shù)值為-448.2MPa，400℃工藝階段熱振后殘余應力數(shù)值為-253.6MPa，600℃工藝階段熱振后殘余應力數(shù)值為-94.8MPa。從數(shù)據(jù)結果來看，隨著處理溫度的升高，TC21鈦合金試樣表面的軸向殘余應力呈降低趨勢，這表明熱振復合處理溫度的提高能夠進一步促進零件殘余應力的釋放。300℃組處理后的殘余壓應力絕對值高于250℃組，表現(xiàn)出一定波動性。這可能與試樣初始殘余應力狀態(tài)、局部加工以及X射線測試的表面狀態(tài)有關。經(jīng)機械加工后TC21鈦合金表面殘余應力具有不均勻性，單一溫度組測試結果將受局部應力集中與測試點差異的影響。300℃組出現(xiàn)較高殘余應力不代表熱振復合處理失效，而是能夠反映出測試結果受試樣初始殘余應力狀態(tài)與局部應力分布影響。

為表征不同溫度下熱振復合處理對TC21鈦合金零件軸向殘余應力的調控效果，本文以同批次試樣中前5件初始軸向殘余應力平均值作為初始參考值，參考值為-519.6MPa，以此計算不同溫度處理后的殘余應力降低率。殘余應力降低率按式(1)進行計算:

式中： σ 0 為同批次試樣熱振處理前軸向殘余應力平均值，MPa； σ t 為不同溫度下熱振復合處理后的軸向殘余應力平均值，MPa； η為殘余應力降低率。

如圖6所示，不同溫度條件下熱振復合處理后軸向殘余應力呈現(xiàn)明顯變化趨勢。250℃、300℃和400℃條件下的殘余應力降低率分別為30.4%、13.7%和51.2%，其中，600℃條件下殘余應力降低最為顯著，應力降低率高達81.8%。

2.2硬度變化分析

為進一步分析熱振復合處理對TC21鈦合金力學性能的影響規(guī)律，采用維氏硬度測試法(HV0.5)對原始態(tài)與600℃熱振態(tài)零件進行硬度測試與對比分析，其測試結果見表3。由表中數(shù)據(jù)可以看出，原始態(tài)試樣的維氏硬度平均值為365.6HV0.5，而經(jīng)600℃熱振復合處理后，試樣硬度下降至350.0HV0.5，整體呈現(xiàn)出一定幅度的降低趨勢，降幅約為4%~5%。

熱振復合處理不但能夠有效釋放TC21鈦合金內部殘余應力，而且溫度的不斷升高會使零件內部原子發(fā)生擴散，對其內部組織造成重排布，這也是導致零件硬度下降的原因。從表3維氏硬度測試結果來看，熱振態(tài)與原始態(tài)的數(shù)據(jù)離散性明顯不同，熱振態(tài)則表現(xiàn)出更為優(yōu)異的數(shù)據(jù)均勻性，這表明熱振復合處理工藝在降低殘余應力的同時，還可進一步提升應力的分布均勻性。此效果可以讓鈦合金零件使用更穩(wěn)定并不易變形，同時其力學性能更為優(yōu)異，能夠在復雜交變受力情況下長期穩(wěn)定使用。

本文僅對原始態(tài)與600℃熱振態(tài)零件進行了硬度測試對比，尚未系統(tǒng)比較不同溫度條件下的硬度變化規(guī)律，因此硬度結果主要用于輔助說明熱振復合處理對TC21鈦合金材料表面力學響應的影響規(guī)律。

表3 TC21鈦合金原始態(tài)與600℃熱振復合處理態(tài)的維氏硬度

2.3斷口形貌分析

由于原始態(tài)試樣未進行斷口形貌采集，本研究主要針對熱振復合處理后試樣進行SEM形貌觀測，用以分析零件的微觀斷裂特征及損傷機制。結合前述殘余應力的測試結果可知，在三階段振動參數(shù)條件下，600℃熱振復合處理后的試樣軸向殘余應力降低率最大，試樣殘余應力平均值由同批次初始參考值-519.6MPa降低至-94.8MPa，具有非常優(yōu)異的殘余應力調控效果。因此，本文選取600℃熱振復合處理后的疲勞試樣作為代表性樣品進行SEM形貌觀測，用以分析較高溫度熱振復合處理后鈦合金試樣的斷裂行為。本文未系統(tǒng)比較不同熱振溫度下的試樣斷口形貌差異，主要反映600℃熱振復合處理后疲勞試樣的斷裂特征。

斷口形貌如圖7所示，在低倍形貌圖中可以發(fā)現(xiàn)斷口整體呈現(xiàn)出顯著的粗糙特征，內部存在清晰的臺階狀斷裂單元，表明裂紋擴展過程能夠沿特定方向優(yōu)先生長;斷口形貌存在表層向內部不斷擴展的趨勢，這表明零件存在裂紋萌生與擴展，最終發(fā)生瞬時性斷裂(圖7a)。在中倍形貌下斷口表面呈現(xiàn)臺階狀結構，并伴隨著局部裂紋出現(xiàn)，表現(xiàn)出一定的準解理斷裂特征。裂紋在擴展過程中呈現(xiàn)出一定的方向性，同時伴隨局部塑性變形發(fā)生(圖7b、圖7c)。高倍形貌下可以觀察到明顯的韌窩及撕裂棱結構，這表明零件在斷裂過程中發(fā)生了嚴重的塑性變形，而且韌窩分布不均勻且斷裂面交替出現(xiàn)(圖7d)。綜合分析表明，TC21鈦合金在溫度600℃、保溫時長3h和三階振動30min的熱振復合處理過程，其斷裂行為以準解理斷裂為主，并伴有局部韌性斷裂。

斷裂特征與熱振復合處理過程中殘余應力再分布密切相關，熱振復合處理改變了材料表層殘余應力狀態(tài)及微觀組織，最終影響了裂紋萌生及拓展路徑。然而，在600℃條件下，零件材料局部組織的穩(wěn)定性將發(fā)生變化，在循環(huán)交變應力載荷作用下會形成局部應力集中，這將促進材料內部裂紋萌生與擴展。斷口中同時存在準解理特征和韌窩，這說明零件在斷裂過程中既發(fā)生了脆性擴展，同時也伴隨塑性變形。上述結果表明，熱振復合處理通過調控殘余應力分布狀態(tài)及微觀組織特征，對TC21鈦合金的斷裂擴展行為具有一定程度的影響，可為其斷裂機制分析提供理論依據(jù)。

3、結語

本文以TC21鈦合金為研究對象，利用自主研發(fā)的熱振復合應力調控設備對其進行熱振處理試驗，所有試樣均采用三階段振動的方式，振動時間、振動頻率及保溫時間均保持一致，以研究不同處理溫度對TC21鈦合金殘余應力調控效果的影響，得出如下結論:

(1)熱振復合處理試驗中溫度的升高，可有效釋放TC21鈦合金零件的軸向殘余應力，而保溫時間與振動時效參數(shù)相同時，溫度越高零件的應力絕對值將不斷下降。在250℃、300℃和400℃的溫度下，殘余應力下降幅度略低，然而溫度設置到600℃時，零件殘余應力釋放效果尤為顯著，應力降低率高達81.8%。

(2)依據(jù)維氏硬度(HV0.5)測試結果來看，原始態(tài)TC21鈦合金的硬度平均值為365.6HV0.5，經(jīng)過熱振復合處理之后其硬度平均值則下降至350.0HV0.5，下降幅度為4.3%;同時發(fā)現(xiàn)熱振態(tài)零件5個位置的硬度數(shù)據(jù)離散性將進一步減小，這表明零件內部的殘余應力分布得到有效改善。

(3)對600℃熱振復合處理后的TC21鈦合金零件進行SEM斷口形貌觀測，研究發(fā)現(xiàn)斷口同時出現(xiàn)了準解理特征與韌窩結構，這表明材料在斷裂過程中既發(fā)生脆性擴展，同時亦伴隨著塑性變形。TC21鈦合金零件的斷裂特征與熱振復合處理效果密切相關，這種熱-振協(xié)同作用不但能夠改善材料內部殘余應力的分布狀態(tài)，亦可對材料微觀組織結構產生顯著影響，最終導致裂紋萌生與擴展。

綜上所述，熱振復合處理能夠有效改善TC21鈦合金的殘余應力分布狀態(tài)，并且可以提升力學響應的一致性，可為后續(xù)熱振復合工藝參數(shù)的優(yōu)化提供建設性參考。

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（注，原文標題：不同溫度下熱振復合處理對TC21鈦合金殘余應力的影響_肖文濤）