钛合金具有耐高温、低密度、高比强度、高比刚度、耐腐蚀等诸多优点，在航空航天领域得到广泛应用。随着航天飞行器的发展，对其结构重量、静动热载荷作用下的变形以及结构承载能力与可靠性的要求日益提升，因而耐高温、高比强度的钛合金锻件成为飞行器设计的首选材料[1－2]。TC11钛合金具有良好的高温性能，并已得到广泛的工程化应用，但近年来在性能检测过程中发现其锻件产品的高温持久性能存在波动，试样会出现异常断裂现象，在相同的试验温度和应力条件下，其高温持久寿命为10~120ｈ不等，测试结果极不稳定。为了明确TC11钛合金锻件高温持久试样异常断裂的原因并制定相应的解决措施，对异常断裂试样进行失效分析，并综合考量试验过程、试验方法和试验环境等因素，根据分析结果进行相应的验证实验，以期为解决TC11钛合金锻件高温持久异常断裂问题提供参考。

1、实验

TC11钛合金锻件高温持久试样在500℃/590MPa条件下40ｈ时发生异常断裂，该批次锻件化学成分为:Al6.65％，Zr1.85％，Mo3.55％，Si0.30％，其余为Ti。锻件分别在950℃和530℃下进行双重退火，获得稳定的双态组织，如图1所示。退火态TC11钛合金锻件的室温及500℃高温力学性能见表1。

通过目视观察高温持久试样表面及断口宏观形貌，采用OLYMPUS光学显微镜观察异常断裂试样纵剖面显微组织，使用JSM-6700扫描电子显微镜(SEM)观察断口微观形貌，利用能谱仪进行微区成分分析，以确定断裂原因。

2、结果与讨论

2.1宏观形貌

观察异常断裂试样表面，垂直于应力方向存在大量开放性裂纹，肉眼可见试样表面发生严重氧化，呈灰白色，见图2。

图3为高温持久异常断裂试样断口的宏观形貌。

断口心部整体呈淡黄色，由心部向边部氧化逐渐加重，边部存在多处凹坑，坑内多为深褐色。

2.2微观组织

图4为扫描电子显微镜下高温持久异常断裂试样表面的微观形貌。其中，图4ａ、4ｂ为试样断口附近表面微观形貌，可以看到试样断口表面存在多处裂纹，开裂方向均与应力加载方向垂直。图4ｃ、4ｄ为试样严重氧化区域表面微观形貌，该区域试样表面存在多处腐蚀开裂凹坑，凹坑左右两侧表面拉伸发生微观下陷，凹坑上下两侧因开裂未发生塑性变形，总体表现出微观塑性局部化，这是试样表面发生脆化的又一特征。

图5为高温持久异常断裂试样的断口形貌。从图5可以看出，断口外圆周存在多处凹坑，凹坑处断口呈现出解理状脆性断裂特征，而断口心部呈现出微孔聚集长大型韧性断裂特征。解理断裂属于脆性断裂，在应力作用下裂纹迅速向试样内部扩展发生断裂。

图6为高温持久异常断裂试样纵剖面的金相照片，其中图6ａ为远离断口区域，图6ｂ为试样断口处。试样不同位置的显微组织形貌特征类似，但断口处存在明显裂纹，说明试样异常断裂是由断口处裂纹向内延伸导致的，并非典型的塑性断裂。

2.3能谱分析

图7为高温持久异常断裂试样表面裂纹区域形貌。对裂纹区域进行能谱微区成分分析，结果见表2。测试点1为裂纹内部絮状残留，其化学成分主要为O、C、Mg、Si；测试点2为裂纹附近表面，其化学成分主要为O、Ti，另含有少量的C、Al、Mo、Cl、Si、Na等元素；测试点3为裂纹内部侧壁，其化学成分主要为O、Ti、C、Al，还有少量S、Si、Cl、Mg等；测试点4为裂纹内部残留白色颗粒物，其主要化学成分为Cl、Ti、Na、Mg，各元素含量分别为45.97％、26.35％、9.55％、1.57％。

高温持久钛合金试样因长时间暴露在高温环境下，其表面发生氧化，表层主要成分为TiO₂[3－4]。

但在试样的4个测试点中还检测到不同含量的Si、Mg、Cl、Na等元素，说明试验过程中存在引入外来元素的情况，推测试样表面发生了比较特殊的热盐应力腐蚀[5]。

2.4失效分析

在高温和应力作用下的钛合金遇到卤化物时，会变脆甚至发生脆断，这是一种典型的钛合金热盐应力腐蚀现象，最早由Ｇ.Ｗ.Ｂａｕｅｒ发现[6]。大量研究表明，高温、应力、水和卤盐等是钛合金发生热盐应力腐蚀的必要条件[7－9]。赵永庆等[10]研究发现，热暴露和热盐暴露的交互作用使合金的热盐应力腐蚀性能明显恶化。高温持久试验过程中，高温使试样表面发生氧化形成氧化层，而外部引入的Mg、Na、Cl等元素在高温和湿气作用下进一步与试样表面的氧化层发生化学反应，导致试样表面氧化层疏松或开裂，为更多的卤盐进入基体提供了有利条件，致使腐蚀加速。腐蚀所形成的表面点脆化和腐蚀凹坑在高应力作用下形成裂纹，腐蚀裂纹向内部持续扩展引起脆性开裂，同时试样有效受力面积减小，应力水平提高，最终导致试样发生异常断裂[11]。杨文涛等[12]研究发现，大多数钛合金在高温下与盐类接触发生应力腐蚀开裂的临界温度为260℃。因此，可以确定导致TC11钛合金锻件高温持久试样异常断裂的原因为高温持久试验过程中试样表面发生热盐应力腐蚀。

分析整个高温持久试验过程，推测捆绑热电偶所用的石棉绳是外来Mg、Na、Cl等元素的主要引入物。为了进一步验证推测，进行了以下实验。

3、热盐应力腐蚀原因分析

为进一步验证失效原因，以经过双重退火处理的TC11钛合金棒材作为试验材料，按照GB/T 2039—2012要求加工标准高温持久试样，试样平行段表面光洁度Ra≤0.8μｍ。高温持久试验分为2组，每组3支试样，组一中3支试样用石棉绳捆绑固定热电偶，组二中3支试样用镍铬丝捆绑固定热电偶，固定好的热电偶焊点均紧贴试样表面。设定试验温度为500℃，试验应力为590MPa。试验前试样均放置在超声波清洗槽内用酒精清洗，使其表面洁净无污染。上机时试验员全程佩戴一次性棉手套进行操作。

图8为选用不同捆绑材料时高温持久试验结束后试样的照片。组一中3支使用石棉绳捆绑固定热电偶的试样表面均发生不同程度的腐蚀，表面呈灰白色，腐蚀严重处已发生开裂，与高温持久异常断裂试样表面状态一致。组二中3支使用镍铬丝捆绑热电偶的试样表面未见灰白色腐蚀产物，仅发生了轻微氧化，呈蓝色，且具有光泽。组一中2支腐蚀较严重的试样分别在83、105ｈ断裂，另1支120ｈ未断；组二中3支试样经120ｈ高温持久试验均未发生断裂。试验结果表明，高温持久试验时石棉绳会导致试样表面发生氧化和腐蚀，导致试样高温持久性能异常。

为明确试验所使用的石棉绳化学成分，分别取实验室常用的2种石棉绳(石棉绳1为本次实验所用石棉绳)进行能谱分析，结果如表4所示。从表4可以看出，石棉绳1与石棉绳2中均含有O、C、Si、Mg、Cl等元素，元素种类及含量因石棉绳不同而存在差异。查阅相关石棉绳资料了解到，石棉绳因产地、成矿条件、生产工艺的不同导致其微观结构、主要成分和含水量不同[13]，但可以确定，导致产生热盐应力腐蚀的Mg、Na、Cl等元素均是由石棉绳引入的。

4、结论

(1)TC11钛合金锻件高温持久异常断裂试样的断口外圆周围凹坑处多发生沿晶断裂，心部为韧性断裂。在持久试验应力作用下，裂纹由外向内扩展导致试样断裂。

(2)高温持久试验过程中捆绑热电偶的石棉绳中含有Mg、Na、Cl等元素，高温高应力导致钛合金材料发生热盐应力腐蚀，影响TC11钛合金高温持久性能测试的稳定性。

(3)采用镍铬丝替代石棉绳捆绑热电偶，试样表面未发生热盐应力腐蚀，有效解决了TC11钛合金高温持久试样异常断裂问题。

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