钛合金作为一种结构资料，由于拥有高强度沉量比、较低的弹性模量、优良的委顿强度和韧性以及优异的耐侵蚀性等特点，被宽泛利用在航空航天、医疗等领域[1-2]。相较于其他常见的金属资料，钛合金不仅密度幼、强度高、耐侵蚀，同时也越发轻巧。然而，通例钛合金造备工艺无法齐全解除资料内部的孔隙，在表加应力集中作用下，残存孔隙会对资料委顿裂纹的形成过程产生较大影响，当资料表表产生委顿裂纹点后，会加快零件的委顿粉碎。利用热等静压技术（hotisostaticpressing，HIP）造备迪胙合金资料可很好地预防资料的不均匀孔隙率和成吩飓析等内部缺点[3-4]。田亚强等[5]钻研了置氢量及热等静压工艺参数对置氢TC4合金粉末热等静压造件组织机能的影响法规，发现热等静压造件的片层状组织尺寸变薄、针状的组织变细,等轴颗粒组织愈来愈多,造件致密成效好、综合力学机能高。

为进一步提高钛合金资料的表表机能，罗雪坤等[6]钻研了应力集中前提下喷丸对其委顿机能的影响法规，发现喷丸后的试样委顿极限别离提高了33.5%和22.2%，缺口敏感性降落了48%。田凯等[7]选取激光冲击/机械喷丸复合强化对TC4钛合金薄壁试样进行表表处置，发现相比未强化的FOD和无FOD试样，复合强化FOD试样的均匀委顿寿命别离提高了370%和60%，复合强化后在试样表层形成了深层残存压应力。ê穸500μm）。通过以上的钻研发现可通过肯定的后续强化加工工艺进一步地改善资料的抗委顿机能。但传统的喷丸加工存在加工精度低、资料利用有限等问题，而超声表表滚压能够实现更高的加工精度、更广的资料兼容领域和越发显著的机能提高档。本文重要钻研超声表表滚压（USR）对HIP法造备TC4钛合金的委顿机能影响，进展能为钛合金电机转子的委顿机能钻研提供肯定参考。

1、试验与步骤

1.1试验资料和步骤

试验对象为选取热等静压技术造备的TC4钛合金棒件，其尺寸为40mm（直径）×500mm（长度），致密度为99.8%。HIP造备试件的参数是真空度为10~5Pa、温度为850°C、功夫为3h，并随炉冷却。选取HK30C型超声波表表强扮装置对棒材进行强化处置，加工示意图见图1，加工参数见表1。

表 1 超声表表滚压（USR）处置参数

1.2结构表征及机能测试

利用扫描电子显微镜（Quanta200FEG型）和射透电子显微镜（TECNAIG2S-TWINF20型）对试样的微观结构变动进行表征。用MVS-1000Z型硬度计（载荷0.5N，持续功夫10s）测得试样的显微硬度值，用BMT专家级丈量系统（丈量速度0.1mm/s，最幼步长0.5μm）丈量试样的表表粗糙度。选取sin2ψ步骤，用RigakuⅡ衍射仪测得试样的残存应力。选取SANSE45全能试验机，以20mm/min的速度测得试样的拉伸机能。在室温下，利用QBWP旋转弯曲机以100Hz的循环频率对USR处置前后的试件进行应力节造旋转弯曲委顿试验，委顿试样尺寸见图2。

2、了局与会商

2.1微观结构

USR处置前后的TC4钛合金截面扫描电镜（SEM）图像见图3。与未处置试样相比（图3a），经USR处置试样（图3b）的上表层有显著的塑性变形，变形层厚度约为35μm，且α和β相变的弯曲、资料变形方向与滚压头进给方向一致。USR处置有效推进了资料表层组成相的细化，增长了资料表表改性层中的位错密度[8]，且在相对致密的资料塑性变形层中无显著的大孔洞，这重要归功于高频的超声振动增长了资料表层的致密度，关合了资料表表改性层中的微观孔隙或微幼裂纹。β相由于其自身的晶格结构（bcc），易于产生塑形变形并被细化
；而α相为密排六方晶格结构（hcp），相对于β相拥有较少的滑移系统，所以在变形过程中β相被逐步挤压进α相，二者之间无显著的界限。多所周知，资料的塑性变形层与其微观结构和力学机能有很强的有关性[9]。随着资料深度的增长，资料的塑性变形水平逐步减幼，注明超声振动的能量逐步减弱，已不具备增长资料塑性变形的能力。

试样截面的射透显微（TEM）图像如图4所示。在图4a中，资料表表改性层晶粒多为等轴状，取向随机且没有显著晶界。在相应的选择区域电子衍射图中，区域1显示了一些不陆续的圆弧衍射花腔，这注明资料表层被显著细化，且晶粒和亚晶粒共存。在晶粒内部和天堑处存在一些密集的位错缠结区域且散布较均匀，这些位错提供了高密度的应变能。同时一些大角度的晶界处，藐幼的晶界能够利用增长的位错应变能，通过位错的湮灭、堆集和沉排的方式形成，从而有利于亚晶粒的产生。随着应变能和应变速度的增长，位错缠结将转变为亚天堑。因而，细化的晶粒将在亚天堑的交叉处形成。

如图4b所示，位错密度较为集中，面积显著增长且有些位错出现细条状。通常来说，位错缠结的形成是复杂的，重要是相互缠结造成的。资料的塑性变形可通过在距离被处置表表分歧深度的位错活动来实现，位错散布越均匀，资料的塑性变形机能越好，注明资料的塑性变形随着深度的增长在逐步变幼且变得不再均匀。一旦位错在某些滑移面遇到阻碍物，位错就会产生弯曲，那里的位错密度会相应增大，产生位错缠结[10]。区域2的电子衍射图显示为规定的点阵分列，注明所选区域仅蕴含单个晶粒，此处已经没有晶粒细化成效，重要以资料的塑性变形为主，同时能够增长资料的致密度。

2.2XRD衍射分析和残存应力

为进一步分析TC4合金组成相的变动情况，对USR处置前后的试样进行了X射线衍射丈量，以评估USR处置在资料表层加工强化的成效[11]。由图5可见，USR处置显著改善了α-Ti（101、102和103）的衍射峰宽度，通常XRD衍射峰宽度重要受晶粒尺寸和应力的影响，这也间接注明资料经USR处置后拥有较好的晶粒细化成效和较大的应力值。经丈量发现，USR处置后，在试样的表表引入的最大残存压应力高达-1173MPa，显著高于切削试样产生的残存压应力（-483MPa）。

通常资料表表的高残存压应力与其表表显微硬度值亲昵有关，这有利于提高资料表表抗危险能力[12]。另表，衍射峰宽度的增长也讲了然位错密度或晶格应变的增长。多所周知，随着距离资料表表深度的增长，残存压应力值会逐步减幼。而残存压应力重要来自于资料经历强化加工后不均匀的弹塑性变形，USR处置后试样表表的残存压应力值显著增大，这批注资料表层的塑性变形应归因于大量位错的产生，因而可揣度残存压应力延长到位错产生区对应的深度[13]。USR处置在资料表层引入的残存压应力可削减和解除资料表表的任何残存或随后施加的拉应力，而大无数委顿失效都是在表表应力处于拉伸状态时，起头或靠近表表拉应力逐步产生的。因而通过降低资料表表或其左近的净拉应力，能够延缓委顿裂纹的产生或形成，提高构件的委顿寿命[14]。

2.3表表粗糙度和力学机能

在载荷为900N的前提下进行USR处置，利用高频超声冲击,可将切削加工产生的凸凹峰碾压平坦，得到的最幼表表粗糙度为Ra0.13μm，险些是未处置试样表表粗糙度（Ra0.79μm）的六分之一。因而，经USR处置后的试样表表比力光滑，可有效预防应力集中。同时，经USR处置，资料的表表显微硬杜咨最初的325HV提高到436HV。这应归因于资料表层拥有较厚的塑性变形层，优良的晶粒细化和加工硬化效应，遵循了Hall-Petch关系，以及资料表层USR引入的较大的残存压应力。这些成分增长了资料在显微硬度丈量过程中的抗变形能力，并且高表表硬度能够改善机械表表危险的情况[15]。然而，由于资料固有的个性，提高资料表表硬度的物理强化工艺在环境温度下的作用极度有限。USR处置后的最大硬化层深度约为55μm，这与资料塑性变形层的厚度根基一致。在USR处置过程中，滚动头将超声振动能量传递到资料表表改性层。一方面，资料表层产生显著的塑性变形
；另一方面，资料表层的资料密度也会增长。这也诠氏缢资料硬化层深度大于资料塑性变形厚度的原因。深的表表硬化层和优良的晶粒细化成效能够扭转或延缓表表微裂纹的形成，提高资料的拉伸和委顿机能。

图6展示了TC4试样在拉伸测试过程中的应力-应变曲线
？杉，试样经USR处置后，其极限抗拉强度从初始的963MPa提高到990MPa，伸长率和收缩率别离为19%和51.7%。相比之下，未经处置试样的伸长率和面积收缩率别离为22%和41.7%。因而，与未经处置的试样相比，经USR处置的试样拥有优良的拉伸机能。重要原因如下：USR处置在资料表表或表表左近形成了一层高强度的残存压应力层
；资料表表改性层产生了密集的位错，增长了资料表层的应变能。多所周知，高密度位错的相互作用可提高资料的屈服强度，而残存压应力可抑造沿晶/相界裂纹的萌生和扩大，削减晶间断裂[16]。凭据Hall-Petch方程，资料的屈服强度也与晶粒尺寸有关，且随着晶粒尺寸的减幼而逐步增大[17]。因而，USR处置后试样的细晶改性层能够阻止表表微裂纹的形成，而拉伸裂纹的初始点重要起源于资料内部，并在拉伸过程中产生瞬断。

2.4委顿机能

如图7所示，对比USR处置的试样和未处置试样的应力-寿命（W?hlerS-N）曲线，发现USR处置显著提高了资料的委顿强度、耽搁了资料的委顿寿命。出格是在应力委顿（高周委顿）状态下，与未处置试样的465MPa循环应力相比，经过107次循环后，USR处置试样的委顿强度提高到560MPa，增长约25%，委顿寿命增长了三个数量级。随着施加循环应力的增长，试样的委顿寿命逐步减幼，但USR处置试样的委顿寿命仍为未处置试样的3倍。在低周委顿状态下，TC4试样出现出分歧的斜率。USR处置试样的曲线变得更平展，批注该试样拥有更高的抵抗超应力能力。此表，与未处置的试样相比，USR处置试样受到表表强化层的作用，对微塑性变形的抵抗能力更强。

经委顿试验后的TC4试样断口描摹见图8。未处置试样在450MPa循环应力作用下，其委顿裂纹初始点产生于试样表表（图8a），且断口状态可分为三个裂纹扩大区。其中，区域1为裂纹萌生区，其产生的重要原因是循环应力作用下的应力集中，裂纹顺着晶内滑移面或与施加应力相适应的晶界沿晶体学方向扩大，断口表表重要阐发为解理和粗台阶
；区域2是不变裂纹扩大区，委顿裂纹在循环应力作用下逐步扩大且有显著的裂纹扩大条纹
；区域3是裂纹的加快扩大区，一旦裂纹扩大达到该区域，暗示试样即将断裂，而试样最终的断裂阐发为韧窝的形核、荟萃和成长。通常来说，α相-片层的滑移面或晶粒间的界面是最常见的裂纹萌生地位部位[19]。因而，在450MPa循环应力作用下，未处置试样的委顿断裂过程由最初的脆性断裂逐步转变为最终的韧性断裂。

对于USR处置的试样，由于资料表表硬化层的存在，委顿裂纹的初始点向试样内部区域移动，如图8b所示，到资料表表的距离为h（约500μm），该区域未在残存压应力场作用之下
？杉，委顿裂纹从区域1逐步向资料表表和区域2和区域3延长，并且资料表层的断裂面较光滑，这注明USR处置在表表表层产生的残存压应力、应变强化、晶粒细化蹬仔用地预防了微裂纹的产生。α-相滑移面仍是区域1重要非裂纹初始点地位。

如图8c所示，从裂纹初始点断口表表可观察到很多藐幼的解理条纹（玄色箭头），且条纹方向一样，还伴有几个光滑的断裂面（白色箭头），这些解理条纹和断裂面别离由穿晶断裂和沿晶断裂形成，这也注明裂纹初始地位重要为塑性断裂和脆性断裂的结合。这些裂纹按区域1~区域3的挨次逐步扩大，直至试样断裂，并且图8b中的区域2和区域3，拥有与图8a所示的类似结构。

当循环应力增长到700MPa时，未处置试样展的裂纹初始地位显著较多（图8d），且区域3相对变大。此表，断口边缘有一些较宽的扯破条纹，这应该归因于大的循环应力加快了试样表表裂纹初始地位的增长，从而导致试样产生了较多的委顿裂纹，并急剧断裂。

此表，资料内部的残存孔隙对裂纹扩大也有显著影响。如图8e所示，USR处置试样的裂纹初始地位也显著增长，并转移到资料表表，并且试样的断口较平展，这重要是由于施加在资料表表的高循环应力产生了较大的应力集中。但是，裂纹的初始地位依然偏少，并且资料表表改性层中的扯破条纹相对较幼，这个是由于表表改性层阻止了裂纹的扩大。USR处置的试样在区域2和区域3的断裂面与未处置试样类似，逐步从脆性断裂过渡到韧性断裂。通常平面滑移资料的委顿极限随晶粒尺寸的减幼而增大且遵循Hall-Petch关系。多所周知，越是随机取向的微观组织，由裂沃掷唰和挠曲而导致的裂纹扩大速度越低，委顿强度/寿命越好[18]。综上所述，超声表表滚压工艺能够有效地改善钛合金转子的抗委顿机能。

3、结论

本文钻研了超声表表滚压工艺对热等静压造备的TC4合金的微观结构和委顿机能的影响，得到以下结论：

（1）利用USR对HIPTC4合金进行了表表强化处置，发现资料表表改性层的晶粒被显著细化，并伴有致密的位错，显微硬度和残存压应力数值别离提高到435HV和-1173MPa，极限抗拉强度增长到990MPa。

（2）在107次高周循环前提下，USR处置试样相对于未处置试样，其委顿强度（560MPa）增长约25%。而在700MPa循环应力作用下，USR处置试样的委顿寿命是未处置试样的3倍。这重要应归罪于资料表层显微硬度和压残存应力的增长、表表粗糙度的降低、晶粒细化和微孔愈合的综合作用。

（3）与未处置的试样相比，经USR处置的试样阐发出分歧的委顿断裂描摹。裂纹起裂点位于压残存应力场以下的区域，并逐步向表向内扩大，裂纹肇始点距离资料表表有一个较大的过渡层。随着循环应力的增长（700MPa），初始裂纹点转移到资料表表，但数量仍少于未处置试样。

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（注，原文标题：超声表表滚压对热等静压法造备的TC4合金委顿机能影响）

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