CN112050978B - 一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法 - Google Patents

一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于Ti2AlNb合金残余应力无损检测领域，涉及一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，包括金相成分分析、Cu靶X射线残余应力检测、V靶X射线残余应力检测以及通过公式计算Ti2AlNb合金残余应力值；本发明考虑了Ti2AlNb合金各个相的不同晶体结构，通过分步测试和公式计算，提高了X射线方法测量Ti2AlNb合金残余应力的精确度，为分析机匣用Ti2AlNb合金构件疲劳寿命和设计计算提供可靠数据。

Description

一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法
技术领域
本发明属于Ti2AlNb合金残余应力无损检测领域，具体涉及一种机匣用 Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法。
背景技术
构件在制造过程中，将受到来自各种制造工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后，若构件所受到的这些作用与影响没有随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响称为残余应力。它是当构件没有外部因素作用时，在构件内保持平衡而存在的应力，是属于构件的固有应力。研究表明，当构件表面存在残余压应力时，能够抵消一部分构件工作时产生的拉应力，从而显著抑制和延缓表面裂纹的产生，提升构件的疲劳性能。因此，在研究机械加工工艺和表面处理工艺时，往往需要对试件表面残余应力进行测量和评价，从而优化工艺参数。X射线衍射法是一种广泛应用的残余应力无损测试方法，其基本原理是：当试样中存在残余应力时，对应的晶面间距将发生变化，当发生X射线布拉格衍射时，产生的衍射峰也将随之移动，而且移动距离的大小与应力大小相关。根据布拉格方程，可得应力计算方程：
σ＝KM (1)
Figure BDA0002655744740000011
Figure BDA0002655744740000012
式中：K为X射线应力常数，单位为
Figure BDA0002655744740000013
θ0为无应力状态下的衍射角；2θφ,w为应力状态下X射线衍射角，ψ为衍射晶面(hkl)法线和材料表面法线之间的夹角；M为不同ψ方向对应的衍射角位置2θφ,w与sin2ψ直线关系的斜率。
由上述理论可知，X射线衍射法测量残余应力时，测量结果与测量对象材料的晶体结构和衍射晶面密切相关，当晶体结构和衍射晶面不同时，对应的X 射线应力常数K也不同，因而要获得准确的残余应力测量结果，就需要针对材料的晶体结构特点采用对应的检测方法和靶材。
航空发动机机匣用Ti2AlNb合金是一类新型航空材料，它的名义成分为 Ti-11Al-38Nb-2Mo-1.5Zr，是专门针对航空发动机机匣的复杂工作条件设计的一类新材料。由于机匣用Ti2AlNb合金组分复杂，因此在合金中存在多种不同晶体结构的相，XRD物相分析结果表明Ti2AlNb合金具有三个不同的相，分别为 O-Ti2AlNb相、α2-Ti3Al相和B2相。研究表明，O-Ti2AlNb相是具有Cmcm对称的有序正交晶体结构，α2-Ti3Al相为密排六方结构的有序相，B2相为bcc结构的有序相。Ti2AlNb合金中α2-Ti3Al相和O-Ti2AlNb相的晶体结构均是在α-Ti(密排六方结构)的基础上演化而来，具体为：α2-Ti3Al相是密排六方结构的有序相，具有DO19(hP8)结构和P63/mmc对称性，结构特征为(0001)密排面上原子的有序排列使其中的Al原子只与最近邻的Ti原子发生键合；O-Ti2AlNb 相是具有Cmcm对称的有序正交晶体结构，可认为是α2-Ti3Al相的一种微小畸变形式。O-Ti2AlNb相和α2-Ti3Al相的区别是O-Ti2AlNb相中Nb原子在Ti的亚点阵上进一步有序排列，使α2-Ti3Al相基面上的对称性降低，而变成正交结构。因此，Ti2AlNb合金中α2-Ti3Al相和O-Ti2AlNb相均可视为α-Ti的密排六方结构参与X射线布拉格衍射过程。β-Ti是无序bcc结构相，Ti2AlNb合金中 B2相为bcc结构相的有序化产物，为CsCl型有序bcc结构，因此Ti2AlNb合金中的B2相可视为β-Ti的体心立方结构参与X射线布拉格衍射过程。
在残余应力检测领域，盲孔法通过在试件上钻孔获得残余应力测试结果，检测结果不受材料晶体结构和衍射晶面参数影响，数据检测精度较高，因此在新材料的X射线衍射法测量残余应力研究过程中，通常采用盲孔法的结果作为对照，验证X射线衍射法测量结果的准确性。在机匣用Ti2AlNb合金残余应力检测的实践中发现，采用传统X射线衍射法仅测量α-Ti衍生相的残余应力，其测量结果与盲孔法测量结果存在显著差异，需要针对机匣用Ti2AlNb合金的晶体结构特点采用专门的X射线衍射测量方法来提高测量结果的精确度。由于盲孔法需要在测量对象上钻孔，会对零件产生破坏，造成检测后的零件无法使用，因此在机匣用Ti2AlNb合金残余应力检测领域，对无损的X射线衍射法有强烈的应用需求。
发明内容
本发明的目的是：针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种机匣用 Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，在晶体结构特点和上述背景技术的基础上，提高测量结果的准确性，真实反映试样中的残余应力大小。
本发明的技术方案是：
一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，包括以下步骤：
确定要进行残余应力检测的Ti2AlNb合金机匣构件对应的原始坯料，从原始坯料上制备Ti2AlNb金相试样；
对Ti2AlNb金相试样进行嵌样、研磨和抛光；
采用氢氟酸过氧化氢溶液擦拭浸蚀Ti2AlNb金相试样；
通过金相分析分别确定金相试样中O-Ti2AlNb相体积分数数值为O％，α2-Ti3Al相体积分数数值为α2％和B2相体积分数数值为B2％，同时满足 O％+α2％+B2％＝100％；
将被测Ti2AlNb合金机匣构件放置在X射线应力仪测量台上，并将机匣构件测量点位置调节至应力仪的焦点；
选用X射线应力仪配备的Cu靶，设定X射线衍射角度为140°，衍射晶面 hkl参数为(213)，通过X射线衍射法获得残余应力测量结果σ1；
改用X射线应力仪配备的V靶，设定X射线衍射角度为136°，衍射晶面 hkl参数为(211)，通过X射线衍射法获得残余应力测量结果σ2；
通过下述公式计算Ti2AlNb合金构件测量点处的残余应力值σm；
σm＝σ1×(O％+α2％)+σ2×B2％
确定该Ti2AlNb合金机匣构件测量点处的残余应力值为σm。
原始Ti2AlNb合金坯料的名义化学成分为Ti-11Al-38Nb-2Mo-1.5Zr，其金相组织包含O-Ti2AlNb相、α2-Ti3Al相和B2相三种合金相。
所采用的残余应力计算公式σm＝σ1×(O％+α2％)+σ2×B2％的获取方法包括如下步骤：
设σ1和σ2分别为用X射线衍射法测出的Ti2AlNb合金中的α-Ti衍生相和β-Ti 衍生相的残余应力值，σm为宏观应力；O％，α2％和B2％为各相的体积分数；相应地εO，
Figure BDA0002655744740000041
和εm分别为各相在应力释放时发生的应变和系统整体应变；E1和E2分别为Ti2AlNb合金中的α-Ti衍生相和β-Ti衍生相的弹性模量，E为宏观弹性模量。
对于宏观均匀的线弹性材料，可作如下假设：残余应力释放时，各相发生的应变相同，都等于总应变，即：
Figure BDA0002655744740000042
弹性模量：
E＝Eα(α2％+O％)+EβB2％ 2)
结合公式1)和2)有：
Figure BDA0002655744740000043
由于残余应力是一种弹性力，符合胡克定律，将公式3)经过整理可得：
σm＝σα×(O％+α2％)+σβ×B2％。
通过金相分析分别确定Ti2AlNb金相试样中O、α2和B2相的体积分数数值。
采用配比为V(HF)∶V(H2O2)∶V(H2O)＝1.8～2.2∶4.8～5.2∶100的氢氟酸过氧化氢溶液。优选地，配比为V(HF)∶V(H2O2)∶V(H2O)＝2∶5∶100。
步骤三中擦拭浸蚀Ti2AlNb金相试样40s～60s。优选地，擦拭浸蚀Ti2AlNb 金相试样50s。
优选地，步骤一所述Ti2AlNb金相试样尺寸为10mm×10mm×3mm、 5mm×5mm×3mm或者20mm×20mm×5mm。
本发明的有益效果是：本发明通过分步测试和公式计算，充分考虑了机匣用Ti2AlNb合金中O-Ti2AlNb相、α2-Ti3Al相和B2相对X射线衍射的影响，实现了对机匣用Ti2AlNb合金中残余应力的科学准确计量，解决了传统X射线衍射法针对Ti2AlNb合金检测结果不准确的缺点，为Ti2AlNb合金构件设计计算和疲劳寿命分析提供可靠数据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明的实例中需要使用的附图作简单的解释。显而易见，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明残余应力测量方法示意图；
图2是本发明机匣用Ti2AlNb合金XRD物相组成示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测量方法，包括如下步骤：
确定要进行残余应力检测的Ti2AlNb合金机匣构件对应的原始坯料，从原始坯料上制备Ti2AlNb金相试样，尺寸为10mm×10mm×3mm；
对Ti2AlNb金相试样进行嵌样、研磨和抛光；
采用配比为V(HF)∶V(H2O2)∶V(H2O)＝2∶5∶100的氢氟酸过氧化氢溶液擦拭浸蚀Ti2AlNb金相试样；
通过金相分析分别确定金相试样中O-Ti2AlNb相体积分数数值为O％，α2-Ti3Al相体积分数数值为α2％和B2相体积分数数值为B2％，同时满足 O％+α2％+B2％＝100％；
将被测Ti2AlNb合金机匣构件放置在X射线应力仪测量台上，并将机匣构件测量点位置调节至应力仪的焦点；
选用X射线应力仪配备的Cu靶，设定X射线衍射角度为140°，衍射晶面 hkl参数为(213)，通过X射线衍射法获得残余应力测量结果σ1；
改用X射线应力仪配备的V靶，设定X射线衍射角度为136°，衍射晶面 hkl参数为(211)，通过X射线衍射法获得残余应力测量结果σ2；
通过下述公式计算Ti2AlNb合金构件测量点处的残余应力值σm；
σm＝σ1×(O％+α2％)+σ2×B2％
确定该Ti2AlNb合金机匣构件测量点处的残余应力值为σm。
所采用的残余应力计算公式σm＝σ1×(O％+α2％)+σ2×B2％的获取方法包括如下步骤：
设σ1和σ2分别为用X射线衍射法测出的Ti2AlNb合金中的α-Ti衍生相和β-Ti 衍生相的残余应力值，σm为宏观应力；O％，α2％和B2％为各相的体积分数；相应地εO，
Figure BDA0002655744740000061
和εm分别为各相在应力释放时发生的应变和系统整体应变；E1和E2分别为Ti2AlNb合金中的α-Ti衍生相和β-Ti衍生相的弹性模量，E为宏观弹性模量。
对于宏观均匀的线弹性材料，可作如下假设：残余应力释放时，各相发生的应变相同，都等于总应变，即：
Figure BDA0002655744740000071
弹性模量：
E＝Eα(α2％+O％)+EβB2％ 2)
结合公式1)和2)有：
Figure BDA0002655744740000072
由于残余应力是一种弹性力，符合胡克定律，将公式3)经过整理可得：
σm＝σα×(O％+α2％)+σβ×B2％。
参照图2，所述的Ti2AlNb合金的名义化学成分为Ti-11Al-38Nb-2Mo-1.5Zr，其XRD物相分析结果包含O-Ti2AlNb相、α2-Ti3Al相和B2相的X射线衍射峰。
实施例
某航空发动机用Ti2AlNb合金机匣构件，其材料名义成分为 Ti-11Al-38Nb-2Mo-1.5Zr，要求机械加工完成后对其表面残余应力进行测量。
为了检测Ti2AlNb合金机匣构件某测量点处的残余应力，在加工完成后，进行如下步骤：
确定要进行残余应力检测的Ti2AlNb合金机匣构件对应的原始坯料，从原始坯料上制备Ti2AlNb金相试样；
对Ti2AlNb金相试样进行嵌样、研磨和抛光；
采用氢氟酸过氧化氢溶液擦拭浸蚀Ti2AlNb金相试样；
通过金相分析分别确定金相试样中O-Ti2AlNb相体积分数数值为22％，α2-Ti3Al相体积分数数值为7％和B2相体积分数数值为71％，满足 22％+7％+71％＝100％；
将被测Ti2AlNb合金机匣构件放置在X射线应力仪测量台上，并将机匣构件测量点位置调节至应力仪的焦点；
选用X射线应力仪配备的Cu靶，设定X射线衍射角度为140°，衍射晶面 hkl参数为(213)，通过X射线衍射法获得残余应力测量结果-367MPa；
改用X射线应力仪配备的V靶，设定X射线衍射角度为136°，衍射晶面 hkl参数为(211)，通过X射线衍射法获得残余应力测量结果-678MPa；
通过下述公式计算Ti2AlNb合金构件测量点处的残余应力值σm；
σm＝-367MPa×(22％+7％)+(-678MPa)×71％
＝-587.81MPa
确定该Ti2AlNb合金机匣构件测量点处的残余应力值为-587.81MPa(-号代表压应力)。
经残余应力盲孔法测量检验，该Ti2AlNb合金机匣构件测量点处的残余应力值为-603MPa,采用本发明中残余应力测量方法获得残余应力值为 -587.81MPa，与盲孔法检验结果相差仅2.5％；传统X射线衍射残余应力检测方法仅测量α-Ti衍生相的残余应力，获得残余应力检测结果为-367MPa，与盲孔法检验结果相差39.1％。因此，本发明提供的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测量方法所获得的残余应力测量结果更加准确。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：所述的Ti2AlNb合金为宏观均匀的线弹性材料，其X射线残余应力测试方法包括以下步骤：
确定要进行残余应力检测的Ti2AlNb合金机匣构件对应的原始坯料，从原始坯料上制备Ti2AlNb金相试样；
对Ti2AlNb金相试样进行嵌样、研磨和抛光；
采用氢氟酸过氧化氢溶液擦拭浸蚀Ti2AlNb金相试样；
分别确定金相试样中O-Ti2AlNb相体积分数数值为O％，α2-Ti3Al相体积分数数值为α2％和B2相体积分数数值为B2％，同时满足O％+α2％+B2％＝100％；
将被测Ti2AlNb合金机匣构件放置在X射线应力仪测量台上，并将机匣构件测量点位置调节至应力仪的焦点；
选用X射线应力仪配备的Cu靶，设定X射线衍射角度为140°，衍射晶面hkl参数为(213)，获得残余应力测量结果σ1；
改用X射线应力仪配备的V靶，设定X射线衍射角度为136°，衍射晶面hkl参数为(211)，获得残余应力测量结果σ2；
通过下述公式计算Ti2AlNb合金构件测量点处的残余应力值σm；
σm＝σ1×(O％+α2％)+σ2×B2％
确定该Ti2AlNb合金机匣构件测量点处的残余应力值为σm。
2.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：所述的Ti2AlNb合金的名义化学成分为Ti-11Al-38Nb-2Mo-1.5Zr，其金相组织包含O-Ti2AlNb相、α2-Ti3Al相和B2相三种合金相。
3.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：
所采用的残余应力计算公式σm＝σ1×(O％+α2％)+σ2×B2％的获取方法包括如下步骤：
设σ1和σ2分别为用X射线衍射法测出的Ti2AlNb合金中的α-Ti衍生相和β-Ti衍生相的残余应力值，σm为宏观应力；O％，α2％和B2％为各相的体积分数；相应地εO，
Figure FDA0003289009390000021
和εm分别为各相在应力释放时发生的应变和系统整体应变；E1和E2分别为Ti2AlNb合金中的α-Ti衍生相和β-Ti衍生相的弹性模量，E为宏观弹性模量；
对于宏观均匀的线弹性材料，可作如下假设：残余应力释放时，各相发生的应变相同，都等于总应变，即：
Figure FDA0003289009390000022
弹性模量：
E＝Eα(α2％+O％)+EβB2％ 2)
结合公式1)和2)有：
Figure FDA0003289009390000023
由于残余应力是一种弹性力，符合胡克定律，将公式3)经过整理可得：
σm＝σα×(O％+α2％)+σβ×B2％。
4.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：擦拭浸蚀Ti2AlNb金相试样40s～60s。
5.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：采用配比为V(HF)∶V(H2O2)∶V(H2O)＝1.8～2.2∶4.8～5.2∶100的氢氟酸过氧化氢溶液。
6.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：通过金相分析确定Ti2AlNb金相试样中O、α2和B2相的体积分数数值。
7.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：所述Ti2AlNb金相试样尺寸为10mm×10mm×3mm。
8.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：所述Ti2AlNb金相试样尺寸为5mm×5mm×3mm。
9.根据权利要求1所述的一种机匣用Ti2AlNb合金的X射线残余应力测试方法，其特征在于：所述Ti2AlNb金相试样尺寸为20mm×20mm×5mm。
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