钛及钛合金的失效与其预防
钛及钛合金是20世纪50年代兴起的一种重要结构金属，被联合国《世界经济的未来》报告誉为继钢、铝之后21世纪的第三金属。钛及钛合金具有许多优异的性能，比如低密度，高熔点，高比强度，耐腐蚀性能优异，高低温性能好，无磁性，声波和振动的低阻尼特性，生物相容性好，具有超导特性、形状记忆和吸氢特性等，被称为“太空金属”和“海洋金属”，在航空航天、海洋开发、化工、冶金、电力、医用材料、体育休闲业、汽车等领域有着广阔的应用。
钛及其合金在航空航天领域[1]得以广泛应用，在航空发动机上不断取代铝合金、镁合金及钢构件。这得益于钛合金的高比强度远超过强度高而密度大的钢以及重量轻但强度较低的铝合金；并且钛合金的耐热性远高于铝合金，目前先进耐热钛合金的工作温度可达550℃~600℃，同时低温钛合金则在-253℃还能保持良好的塑性；另外钛及其合金优良的抗蚀性，特别是在海水和海洋大气中抗蚀性极高，这对舰载飞机、水上飞机以及沿海地区服役的飞机都十分有利。尽管钛合金具有诸多优点，但也存在一些缺点限制了它的应用。钛及其合金的弹性模量低，容易变形失稳，不宜作细长杆件和薄壁件；钛及其合金导热性差、摩擦系数高，容易导致粘连，不宜用作有摩擦关系的零部件；制造成本高等。
钛及其合金不仅在军事领域得到广泛应用，其在民用工业领域的应用也日益增多。由于这些钛制构件的受力状况和工作环境各不相同，其常见的失效模式主要有：1.疲劳断裂；2.腐蚀损伤，如钛合金的氧污染、应力腐蚀断裂、氢脆等；3.摩擦损伤，如外物磨蚀、冲刷等；4.失稳，由于刚性不够而在使用条件下失稳失效；5.蠕变失效，包括变形过大、蠕变断裂、蠕变脆化等。
1. 疲劳断裂失效
疲劳断裂是零部件在交变载荷（应力或应变）反复作用下的累积损伤过程，这是钛合金零部件最主要的失效模式，如压气机颤振引起叶片的低周疲劳、振动引起转子叶片的高周疲劳等。
（1）低周疲劳断裂
金属在交变载荷作用下由于塑性应变的循环作用而引起的疲劳破坏叫做低周疲劳，也称塑性疲劳或应变疲劳。低周疲劳寿命很短，一般低于105周次。钢及铝合金在退火状态下一般表现为循环硬化，而大多数退火状态的钛合金在低周疲劳过程中一般表现为循环软化。循环软化或循环硬化是指金属材料在应变（应力）保持一定的情况下，应力（应变）在循环过程中下降（增高）或增高（下降）的现象。对结构件的设计而言，一般选用循环稳定或循环硬化的材料，而大多工业钛合金属于循环软化材料，在使用过程中，若处于应力控制，则会产生过量的塑性变形而使构件破坏或失效。
（2）高周疲劳断裂[2]
传统的高周疲劳破坏是指材料远小于其屈服应力下发生的疲劳断裂，其疲劳寿命一般在105周次~107周次之间。钛合金高周疲劳尤其对对组织类型和表面状态十分敏感，因而疲劳试验数据分散性大。钛合金高周疲劳断裂的最重要特征是疲劳缺口敏感性高，缺陷敏感性大。钛合金高周疲劳断裂缺陷敏感性可以通过疲劳试样表面粗糙度（不同表面粗糙度对钛合金疲劳极限影响极大）、尺寸、残余应力的影响得到证明。钛合金发生高周疲劳破坏主要是由于高频振动所致，尤其构件存在微小缺陷的情况下，由于其他零部件的强迫振动会导致构件的疲劳开裂。
（3）焊接接头疲劳断裂
焊接在现代的工业生产中已成为一种重要的金属加工工艺，钛合金焊接结构在各领域得到广泛应用。金属材料在焊接过程中，由于焊接热循环的作用，焊接接头及基体金属的组织和性能均会发生明显的变化。焊接方法、工艺参数、操作过程会影响焊接组织、性能及产生缺陷。钛合金由于熔点较高，导热性能差，导致焊接过热区高温停留时间过长，冷速缓慢，从而使得焊接接头颗粒明显增大。焊接接头各区域显微组织的差异，对于接头疲劳裂纹萌生和扩展有着较大影响。在工程应用中，焊接气孔在钛合金焊头中不可避免，并且研究发现焊接接头疲劳裂纹大部分起源于焊缝内微小缺陷，主要是气孔。
（4）腐蚀疲劳
钛合金具有优异的抗腐蚀性能，但其疲劳缺口敏感性大，单纯的腐蚀损伤对钛合金的影响较小，但在交变应力和环境介质，尤其是和腐蚀性介质的协同作用下，微小的腐蚀损伤会导致钛合金构件表面的完整性遭到破坏，从而导致构件疲劳抗力的下降。
影响钛合金构件疲劳损伤的因素很多，因此预防钛合金断裂失效应从以下几个方面入手：
（1）精准设计，对几何形状复杂的零件要特别注意其应力分布的分析；对高速转动部件要避免引起共振疲劳破坏。
（2）严控材质，控制钛合金中有害元素的种类，对含有疏松、气孔、杂质、缺陷、变形的钛合金要注意筛选。
（3）提高构件的表面完整性，包括表面粗糙度，表面防护层的致密性，表层残余应力的类型、大小、分布等。
（4）制造过程中喷丸强化，使构件表面具有较高的残余压应力，提高材料表面抗磨损和抗粘连的能力，提高构件疲劳强度。
2. 腐蚀损伤
钛及其合金的腐蚀抗力较合金钢好得多，但钛合金零件发生氢脆、应力腐蚀开裂等环境失效现象不断出现，均具有突发性和不确定性，严重威胁着钛合金的扩大应用。
（1）腐蚀损伤
钛及其合金具有良好的腐蚀抗力，在碱性介质中也表现出优异的腐蚀抗力，在氧化性酸（硝酸）中有良好的耐蚀性，而在还原性酸（盐酸和稀硫酸）中腐蚀比较严重。钛属于非常活泼的元素，极易在空气中氧化，形成氧化物覆盖在钛及其合金的表面，阻隔了进一步氧化。钛及其合金的化学腐蚀抗力实际上取决于其氧化物薄膜的化学腐蚀抗力， 而这种抗力主要取决于表面氧化膜的完整性、致密性、可塑性、强度、与金属基体的结合力等。
（2）应力腐蚀开裂
钛合金构件在静应力和特定的腐蚀环境共同作用下所导致的脆性断裂成为钛合金的应力腐蚀开裂。钛合金对发生应力腐蚀开裂的敏感性介质有以下几种：H2、CCl4、NaCl水溶液、海水、HCl、甲醇、乙醇溶液、汞等，在这些敏感性介质中受到拉应力时，其裂纹扩展速率大大加快。例如钛合金光滑试样放在3.5%NaCl溶液或海水中是不发生应力腐蚀开裂的，然而一旦试样上有了裂纹时，则很快地发生应力腐蚀开裂。
（3）氢脆[3]
由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力作用下导致的失效称为氢脆。钛极易吸氢引起氢脆，下列过程均可成为钛合金发生氢脆断裂的氢来源：①钛合金冶炼过程中带入的氢及氢气氛；②钛合金在热处理过程中接触了含氢或者含水的气氛或淬火介质等；③焊接中保护不当致使焊缝中渗入了氢等。严格来讲，氢脆并不是一种独立的断裂机制，氢的加入只是有助于钛合金某种断裂机制，如解理断裂或沿晶断裂的作用，其断裂失效的方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，或者是二者混合的。
（4）液态金属致脆
液态金属致脆指的是延性金属或合金与液态金属接触后导致塑性降低而发生脆断。它包括直接与液态金属接触的脆化及低熔点金属在低于其熔点时接触的脆断。目前所发现的一些钛及其合金致脆的脆化剂有镉、铜、银、汞、铅、铝、锌。液态金属致脆机理的解释目前较为流行的是Westwood提出的[4]，认为液态金属致脆大多是由于液态金属化学吸附作用造成的。预防钛合金发生液态金属致脆的方法是尽可能阻隔液态金属致脆的脆化剂与钛接触，如在必须镀镉的钛合金零件表面先镀一薄层其他金属，以形成致密的隔离层。
由于钛及其合金与环境交互作用的复杂性，目前对钛合金环境失效的预防还基本上通过设计选材，防止氢、液态金属、应力腐蚀敏感介质等与钛合金接触，提高构件表面完整性，材料表面改性来解决。比如在海水淡化设备中，钛制设备应当避免与铁制容器接触，这是由于Fe(OH)2沉积在传热管内壁，发生如下反应：3Fe(OH)2→Fe3O4+2H2O+H2，反应产生的氢气被钛吸收。
3. 摩损失效
钛及其合金构件受到流体以及流体中沙、贝类、草等反复接触冲击，容易发生冲刷磨损而失效[5]。由于沙尘的硬度远远大于钛合金构件的硬度，所以这种冲刷磨损率较高，对耐磨性较差的钛合金极易造成失效破坏。
提高钛合金构件抗磨损能力主要集中在表面防护上，如表面强化技术（喷丸、激光冲击强化、孔挤压等），涂层技术（火焰喷涂、等离子喷涂、真空物理沉积涂层等），离子注入技术（改变金属材料表层物理或化学性能），预氧化（形成致密氧化膜）等。
4. 蠕变失效
蠕变是指在长时间的恒温、恒应力（低于屈服强度）作用下而发生缓慢的塑性变形，由蠕变而最终导致的断裂，称为蠕变断裂。在实际服役条件下，尚未有钛合金因蠕变导致的断裂失效发生。但由于钛合金弹性模量较低，且在很低的使用温度下就会发生蠕变，因此作为重要结构件的钛合金蠕变问题仍应引起高度重视。
参考文献
[1] 陶春虎, 刘庆瑔, 刘昌奎, 曹春晓, 张卫方. 航空用钛合金的失效及其预防[M]. 北京：国防工业出版社, 2013.
[2] 周为富, 赵振华, 陈伟. 钛合金高周疲劳特性的影响因素分析[J]. 现代机械, 2009(03):90-92.
[3] 杨长江, 梁成浩, 王华. 钛及其合金氢脆研究现状与应用[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2006(18):122-124.
[4] 张栋, 钟培道, 陶春虎. 机械失效的应用分析[M]. 北京：国防工业出版社, 1997.
[5] 王桂生. 钛的应用技术[M]. 湖南: 中南大学出版社, 2007.
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/217a7af90066f5335b81217d.html
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