1、第33卷第3期Volume 33 Number 32023 年 3 月March 2023中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous Metals电磁冲击对TC11钛合金叶片疲劳性能的影响孙倩1，孙向阳2，宋燕利3，钱东升4，华林3，王自成5，邱冬生5(1.武汉理工大学 汽车工程学院，现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070；2.武汉理工大学 汽车工程学院，汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070；3.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北省新能源与智能网联车工程技术研究中心，武汉 430070；4.武汉理工大学 材料科学与工程学院，
2、武汉 430070；5.武汉晶泰科技股份有限公司，武汉 430056)摘 要：本文研究了电磁冲击作用对TC11钛合金叶片振动疲劳极限的影响，对电磁冲击前后钛合金叶片进行了残余应力测试和显微硬度测试，利用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)对叶片材料显微组织进行了表征，并结合有限元分析，探讨了电磁冲击对TC11钛合金叶片疲劳性能影响机理。结果表明，当电流密度为270 A/mm2时，经电磁冲击处理后叶片振动疲劳极限提升幅度约为36.6%，同时叶片失效裂纹深度及位置发生改变。电磁冲击处理过程中叶片整体温升极小，电极与试样接触处最大瞬时温度仅约60。叶片显微组织未见明显变化，叶片表层残余压应力
3、及叶片内部平均显微硬度随电流密度的增大而增大，叶片内部显微硬度分布发生改变。分析认为，电磁脉冲能量能够对叶片材料产生微振动效应，调整叶片整体残余应力分布，修复微观损伤缺陷，达到提升叶片疲劳性能的目的。关键词：电磁冲击；钛合金叶片；疲劳性能；残余应力；损伤；缺陷文章编号：1004-0609(2023)-03-0752-15 中图分类号：V261 文献标志码：A引文格式：孙倩,孙向阳,宋燕利,等.电磁冲击对TC11钛合金叶片疲劳性能的影响J.中国有色金属学报,2023,33(3):752766.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-42734SUN Qian,SUN
4、 Xiang-yang,SONG Yan-li,et al.Effect of electromagnetic shock on fatigue performance of TC11 titanium alloy bladeJ.The Chinese Journal of Nonferrous Metals,2023,33(3):752766.DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-42734 对于金属材料，服役对象材料性质与零件性能之间存在正相关特性，为制备高强高韧金属材料和长寿命金属服役零部件，研究者们在不断致力于新材料研发工作的同时，对材料微观组织状态的研
5、究也从宏观、介观尺度不断深入到微纳尺度12。实际应用中，评判零部件使用寿命的重要因素之一是零件疲劳性能的稳定性，而影响零件疲劳性能稳定性的主要因素是制造和服役过程中组织性能的均匀性和稳定性。一方面，材料在制造加工过程中由于不同部位不均匀受力或受热致使材料内部产生残余应力；另一方面，由于制造加工过程形变相变不均匀，易造成零件基体损伤与缺陷波动，如应变硬DOI:10.11817/j.ysxb.1004.0609.2022-42734基金项目：国家重点研发计划资助项目(2020YFA0714900)；国家自然科学基金资助项目(51975441，51805393)收稿日期：2021-12-01；修订日
6、期：2022-04-29通信作者：孙 倩，讲师，博士；电话：17362312530；E-mail：华 林，教授，博士；电话：13607160833；E-mail：化、位错塞积、应力集中、成形缺陷等。当零件中残余应力在特定服役条件下与外力耦合，会改变零件的实际受力状态，易造成零件服役早期发生局部微区损伤缺陷区域失效，引起零件失效，最终导致其疲劳性能不稳定、离散度大。为了解决这类问题，采用时效技术，如自然时效(Natural stress relief,NSR)以及人工时效(Artificial stress relief,ASR)38，其中人工时效主要包括时效热处理(Thermal stress
7、 relaxation,TSR)和 振 动 时 效(Vibration stress relief,VSR)，可在一定程度上有效地提升零件使用性能和疲劳寿命910，TSR和VSR技术己在工业上获得广泛应用，但实际应用过程中仍存在明显不足。例如，时效热处理(TSR)的局限性主要体现在如下两个方面：一方面，热处理设备费用较高，能源消耗大；另一方面，构件可能出现热处理变形的问题，同时也可能引入新的残余应力1114。振动时效(VSR)的局限性则主要体现在，对零件进行整体时效处理时局部振动应力过大易引起构件疲劳破坏1516。电磁脉冲处理是一种新型加工技术，具有绿色无污染、效率高等优势。其采用接触式或非接
8、触式交变脉冲电流或脉冲磁场作用于材料局部或者整体区域，利用电磁脉冲在短时间内与材料微观组织和缺陷发生相互作用，通过脉冲电流或脉冲磁场产生的热效应和非热效应以及两者耦合效应来改善材料微结构，提高材料力学性能或提升其使用性能。因此，电磁脉冲处理技术已经广泛用于辅助成型制造1719、辅助加工制造2021、辅助热处理2223及电磁冲击强化2425等研究。由于电磁脉冲作用于金属材料时多场耦合的复杂性，其影响材料组织性能的微观作用机理目前还没有统一的观点。目前学者们普遍认为这是多种效应复合作用的结果，包括焦耳热效应2627，电子风力作用28和磁致伸缩效应29等，尤其与金属内部位错的运动密切相关3032。同
9、时，电磁脉冲对金属材料的影响具有“局部针对性”或者“选择性作用”特征3334，合金内部不同状态的微区，对于电磁脉冲能量的响应往往不同。本文作者近期研究表明35，在近室温条件下，电磁脉冲对合金晶粒会产生微振动效应，合金不同位置处会发生非线性弹塑性变形，可调整如微织构、愈合微裂纹等微观损伤，同时，对合金微观缺陷，如空位、杂质原子、位错、晶界和相界等产生非线性激励作用，达到调控残余应力和修复微纳尺度损伤缺陷的目的。这启发作者，可将电磁脉冲处理技术应用到调控成品金属零件残余应力中，即将电磁脉冲的微振动效应及焦耳热效应进行有效结合，达到热振复合时效工艺效果，为提高零件使用性能一致性和稳定性，进而提升零件
10、疲劳寿命提供一种新思路。TC11 钛合金最早是20 世纪50 年代中期由美国Crucible 公司研制出的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能、优良的冷热加工性能、较高的力学性能以及良好的环境抗力，已经用于制造航空发动机叶片3637。但目前，TC11钛合金叶片使用性能和疲劳寿命还有待提升。已有文献表明，电磁场复合调控处理可通过基体微区形变相变改善叶片表层残余应力分布，从而有效提升航空发动机钛合金叶片的疲劳极限强度38，但关于电磁场复合调控处理提升钛合金叶片疲劳极限的物理机制，仍需开展更为深入的实验与理论研究。本文将利用电磁脉冲能量对TC11 钛合金叶片进行电磁冲击试验，调控叶片整
11、体残余应力分布，提升成品叶片疲劳极限，同时，结合有限元仿真分析，针对电磁冲击处理对TC11钛合金叶片疲劳性能的影响机理进行进一步探讨。1实验与仿真1.1实验研究实验选用喷丸后的TC11钛合金叶片成品件进行电磁冲击试验。采用自制的电磁冲击装置对TC11钛合金叶片进行电磁冲击试验，电磁冲击装置示意图如图1(a)所示。试验主要工艺参数如表1所示，电磁冲击过程中使用FOTRIC 226红外热像仪监测叶片表面温度变化情况，结果如图1(b)所示，试验过程中试样表面最高温度未超过60。电磁冲击试验结束后，取未处理叶片组(G0)和电磁冲击处理后叶片组(G1和G2)中的1#15#叶片用于振动疲劳测试，16#叶片
12、用于残余应力测试。采用激振技术，依据航标发动机叶片及材料振动疲劳试验方法(HB 527784)，结合升降法对一组(15个)TC11钛合金叶片进行振动疲劳测试。对未处理叶片和经电磁冲击处理后的叶片采用X射线残余应力检测仪(XSTRESS 3000)测定钛合金叶第 33 卷第 3 期孙倩，等：电磁冲击对 TC11 钛合金叶片疲劳性能的影响化、位错塞积、应力集中、成形缺陷等。当零件中残余应力在特定服役条件下与外力耦合，会改变零件的实际受力状态，易造成零件服役早期发生局部微区损伤缺陷区域失效，引起零件失效，最终导致其疲劳性能不稳定、离散度大。为了解决这类问题，采用时效技术，如自然时效(Natural
13、stress relief,NSR)以及人工时效(Artificial stress relief,ASR)38，其中人工时效主要包括时效热处理(Thermal stress relaxation,TSR)和 振 动 时 效(Vibration stress relief,VSR)，可在一定程度上有效地提升零件使用性能和疲劳寿命910，TSR和VSR技术己在工业上获得广泛应用，但实际应用过程中仍存在明显不足。例如，时效热处理(TSR)的局限性主要体现在如下两个方面：一方面，热处理设备费用较高，能源消耗大；另一方面，构件可能出现热处理变形的问题，同时也可能引入新的残余应力1114。振动时效(VS
14、R)的局限性则主要体现在，对零件进行整体时效处理时局部振动应力过大易引起构件疲劳破坏1516。电磁脉冲处理是一种新型加工技术，具有绿色无污染、效率高等优势。其采用接触式或非接触式交变脉冲电流或脉冲磁场作用于材料局部或者整体区域，利用电磁脉冲在短时间内与材料微观组织和缺陷发生相互作用，通过脉冲电流或脉冲磁场产生的热效应和非热效应以及两者耦合效应来改善材料微结构，提高材料力学性能或提升其使用性能。因此，电磁脉冲处理技术已经广泛用于辅助成型制造1719、辅助加工制造2021、辅助热处理2223及电磁冲击强化2425等研究。由于电磁脉冲作用于金属材料时多场耦合的复杂性，其影响材料组织性能的微观作用机理
15、目前还没有统一的观点。目前学者们普遍认为这是多种效应复合作用的结果，包括焦耳热效应2627，电子风力作用28和磁致伸缩效应29等，尤其与金属内部位错的运动密切相关3032。同时，电磁脉冲对金属材料的影响具有“局部针对性”或者“选择性作用”特征3334，合金内部不同状态的微区，对于电磁脉冲能量的响应往往不同。本文作者近期研究表明35，在近室温条件下，电磁脉冲对合金晶粒会产生微振动效应，合金不同位置处会发生非线性弹塑性变形，可调整如微织构、愈合微裂纹等微观损伤，同时，对合金微观缺陷，如空位、杂质原子、位错、晶界和相界等产生非线性激励作用，达到调控残余应力和修复微纳尺度损伤缺陷的目的。这启发作者，可
16、将电磁脉冲处理技术应用到调控成品金属零件残余应力中，即将电磁脉冲的微振动效应及焦耳热效应进行有效结合，达到热振复合时效工艺效果，为提高零件使用性能一致性和稳定性，进而提升零件疲劳寿命提供一种新思路。TC11 钛合金最早是20 世纪50 年代中期由美国Crucible 公司研制出的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能、优良的冷热加工性能、较高的力学性能以及良好的环境抗力，已经用于制造航空发动机叶片3637。但目前，TC11钛合金叶片使用性能和疲劳寿命还有待提升。已有文献表明，电磁场复合调控处理可通过基体微区形变相变改善叶片表层残余应力分布，从而有效提升航空发动机钛合金叶片的疲劳极限强度38，但关于电磁场复合调控处理提升钛合金叶片疲劳极限的物理机制，仍需开展更为深入的实验与理论研究。本文将利用电磁脉冲能量对TC11 钛合金叶片进行电磁冲击试验，调控叶片整体残余应力分布，提升成品叶片疲劳极限，同时，结合有限元仿真分析，针对电磁冲击处理对TC11钛合金叶片疲劳性能的影响机理进行进一步探讨。1实验与仿真1.1实验研究实验选用喷丸后的TC11钛合金叶片成品件进行电磁冲击试验。采用自制
