TC4钛合金叶片断裂失效分析

案例背景

TC4钛合金具有强度高、密度小、耐蚀性好、优良的韧性和焊接性等优点,在航空航天、石油化工、造船、汽车等领域都得到成功的应用。结合其性能优势,民用航空发动机的叶片和涡轮盘等重要部件大多采用TC4材料制作而成,但其在高温高压、冲击及振动的环境下长期服役,TC4材料会产生缺陷,导致疲劳敏感部位应力过大而产生裂纹甚至断裂。

某公司的机器发动机叶片在现场正常运转约一个月后出现事故停机，检测发现叶片断裂，经了解该叶片材料为钛合金，牌号TC4，加工方式为整体锻件铣制。叶片采用锻造+高温退火处理。锻造过程经过若干火次，锻造温度按火次顺序，由β转变温度以上（约1150℃）至β转变温度以下（约50℃），锻造完成后进行700℃保温2小时后空冷的退火处理。针对此断裂进行外观形貌观察、断口宏微观观察、金相组织检查及化学成分检测分析。

分析方案

1 对金属断口进行断口分析，判断样品为何种断裂形式；

2. 金相组织分析，查看其组织是否合理；

3 通过样品化学成分测试，判断其化学成分是否符合其国际标准

   测试方法

1.用HITACHI S-3700N扫描电镜观察断口形貌；

2.样品断口处取样，经过研磨机械抛光制成金相试样，用乳酸氢氟酸硝酸溶液腐蚀后，用ZEISS金相显微镜观察金相组织；

3.用碳硫分析仪、氧氮分析仪、ICP-OES测定样品化学成分。

具体测试

样品断口形貌分析

SEM-断口形貌

位置1 SEM形貌

位置2 SEM形貌

位置3 形貌

金属断口分析：断口较粗糙，断口位置一和位置二形貌为解理断裂特征，呈脆性断裂，断口上存在二次裂纹，位置三为较浅的拉长韧窝。

金像组织

左图100x，右图200x

金相组织分析：金相组织为椭球状或短棒状等轴α相与α相晶间弥散的短条状β转组成。

化学成分

备注：成分结果为质量百分比。

化学成分分析：样品材质成分符合TC4成分规格

结论及建议

样品材质成分符合TC4成分规格，断口较粗糙，断口位置一和位置二形貌为解理断裂特征，呈脆性断裂，断口上存在二次裂纹，位置三为较浅的拉长韧窝。金相组织为椭球状或短棒状等轴α相与α相晶间弥散的短条状β转组成。

分析该样品可能为过载断裂，建议调整热处理工艺改善组织，提高材料性能。可在普通退火前增加一道预高温处理后水冷工序，可使锻件强度和断裂韧性获得较好的平衡，提高材料性能。

优尔鸿信成都检测中心拥有专业的失效分析团队，从业经验丰富，可提供金属材料及零部件的断裂失效分析、开裂失效分析、腐蚀失效分析、疲劳失效分析等失效分析服务。