从车削加工残余应力到热振复合调控的TC21钛合金全链条应力管理：250~600℃宽温域内残余应力降低率温度依赖性、随炉冷却工艺稳定性及航空精密构件服役可靠性提升策略

钛合金因具有高比强度、优异的耐腐蚀性能和良好的力学性能，已成为航空、航天领域关键承力构件制造的重要材料。飞机起落架需要长期承受极端复杂的运行工况，飞机降落/起飞阶段起落架装置需要面临巨大的荷载冲击，同时伴随着高频次的交变振动作用。钛合金因具有高强度、低密度、优异的耐腐蚀性能以及较高的力学稳定性，其已成为我国航空、航天领域高端装备的核心结构材料，在极端服役环境中发挥着关键性作用[1-6]。对于TC21钛合金材料而言，其抗拉强度可达到1100~1200MPa，疲劳极限(107周次)可达600MPa，兼具高断裂韧性和优异的抗疲劳性能，可在复杂多变的温度区间内实现稳定服役，因此被广泛应用在航空、航天领域的高精密、高强度装备制造[7-9]。然而，TC21钛合金在焊接、减材制造、锻造等加工过程中，容易受加工温度梯度、交变荷载和相变的影响，表面缺口敏感性高且易发生疲劳失效，这将严重制约其在极端复杂工况环境下的应用潜力[10-13]。

热振复合处理的工作原理是通过热处理降低材料的屈服强度，进而促进材料内部的原子扩散，再辅以振动时效处理来引发材料发生微观塑性变化，以此实现残余应力的有效释放和微观组织再次优化，最终提升材料的力学性能与服役强度。国内外学者围绕热振复合处理的工艺参数、作用机制和性能调控等方向展开研究，并形成了一系列成果[14-19]。哈尔滨工业大学利用热振复合时效对焊接结构进行应力消除，发现热振复合时效能够有效降低材料的屈服强度和固有频率[20-21]。中南大学李美春采用热振时效工艺研究 6061 铝合金中厚板残余应力的均化效果，研究发现当温度达到其时效强化范围时再进行振动时效处理，可以同时达到强化和应力均化效果[22]。刘晓霏等人设计出热振复合应力调控装置样机，采用盲孔法进行应力检测，研究表明样件的应力值得到有效控制，其可在铝合金材料加工领域发挥重要作用[23]。北京科技大学利用热振复合时效技术对 SLM-AlSi10Mg 合金残余应力和力学性能进行深度研究，结果表明振动时效处理是通过动态应力和残余应力的叠加，从而促进微观应变并增加位错密度[24]。北京航空航天大学采用热应力和振动应力结合方式进行残余应力消除试验，结果表明热振时效和热时效均能消除 Ti6Al4V 材料残余应力的 90%以上，而热振时效的消除效率是热时效的 4.2 倍[25]。

已有研究表明，热振复合处理在铝合金、钛合金及增材制造残余应力调控等方面具有很大的应用潜力。对于TC21钛合金而言，其研究大多集中在热处理、组织性能、疲劳断裂及焊接残余应力等方向;不同温度条件下，热振复合处理对TC21钛合金残余应力演化规律及断口形貌特征研究相对有限。因此，本文以TC21钛合金构件为研究对象，利用自主搭建的残余应力调控设备开展不同温度条件下的热振复合处理试验，重点研究热振复合处理对其轴向残余应力变化规律的影响，并结合断口形貌分析讨论其断裂行为特征，以期为TC21钛合金构件残余应力调控技术提供理论依据。

1、试验与方法

1.1试验材料

试样均由同一批次的 TC21钛合金材料车削加工而成，试样的结构如图1所示，零件中部截面部分直径为7.5mm，零件的总长度为100mm。TC21钛合金属于典型的α+β型高强钛合金，其具有优异的韧性及抗疲劳性能，被广泛应用在航空、航天领域关键承力构件加工制造中，例如飞机起落架、机身框架、机翼承载等零件。所有TC21钛合金试样均采用相同的加工工艺和装夹方式进行制备，加工后对所有试样的外观、关键尺寸及表面状态进行了检查，以此保证试样之间的加工一致性。残余应力测试位置位于试样中部的等直径区域，测试点位于试样中心对称处，主要观测不同热振复合处理温度条件下的轴向残余应力变化规律。因此，在试样几何尺寸和表面状态基本一致的前提下，车削加工精度差异对残余应力变化趋势的影响较小。

该TC21钛合金包括合金元素及微量杂质元素，主要元素与杂质元素含量见表1。TC21作为一种典型的α+β型高强钛合金，其合金中的Al元素起到稳定α相、增大材料强度作用，Mo、Nb、Cr等元素能够帮助改善材料的淬透性。此外，Zr元素可提高合金材料的组织稳定性并改善其力学性能。与此同时，少量杂质元素例如Fe、C、N、O等，这些元素虽然含量较低，但对材料性能具有显著的影响。因此，对TC21钛合金中主要元素及杂质元素的含量进行严格控制，可进一步保证材料性能的稳定性与可靠性。

表1 TC21钛合金化学成分(质量分数%)

1.2热振复合残余应力调控设备

本研究采用自主搭建的热振复合残余应力调控设备，实现对TC21钛合金构件的热振复合处理。该调控设备主要由加热系统、振动系统、控制系统及专用夹具等组成，设备工作原理如图2所示，设备整体结构如图3所示。

热振复合处理的工作原理是使零件处于热温度场环境中，同步对其施加交变应力载荷，以此实现对零件的热-振协同调控，最终促使零件内部残余应力得以释放。热振复合处理设备在工作时，炉腔内部设置的热电偶元件可实时采集内部温度，进而输出信号至温度控制器;振动控制器亦接收振动信号，从而实现热温度场与振动应变场的协同控制，最终完成零件热-振复合残余应力调控。

热振复合残余应力调控设备内部的振动板为异型结构，振动板上方用于放置夹具、工件等，夹具与工件采用螺栓固定方式卡紧，以便于将振动载荷有效传递至工件。振动板从调控设备侧面穿出，振动电机则装夹在调控设备右侧面，用以避免高温对振动电机产生破坏。振动板底部设置有弹性支撑装置，由于高频振动时其会承受较高的周期性交变应力载荷，可设置此结构来进一步提升调控设备的支撑稳定性。

如图4所示，热振复合处理设备的炉腔内部主要包括振动板、夹具、加热丝及轴流风机等部件。其中，轴流风机可用于强化炉腔内部空气循环，用以提高设备炉腔内部的温度场均匀性。夹具固定在设备内部振动板上方，利用螺栓将TC21钛合金固定在夹具上，以此保证电机激振力能够有效传递至零件。热振复合调控设备能够实现热温度场与振动场的耦合作用，最终可为TC21钛合金残余应力的有效调控提供技术支持。

热振复合处理设备的主要技术指标如下:温度控制范围为25~600℃，测试区域尺寸为1100mm×950mm×900mm，温度控制精度优于±3℃，升温速率≥10℃/min。本文所采用的激振器型号为SIGZ110-2，其具体技术参数见表2。

表2 激振器设备技术参数

1.3试验设计

本文利用热振复合处理方法对TC21钛合金试样进行热振试验，为重点探究热处理温度对试样轴向残余应力的调控效果，试验中将振动频率统一设置为固定值，所有的钛合金试样均采用相同的三阶段振动工艺，即转速分别为2800、5200、5600r/min，对应电机振动频率分别为46.67、86.67、93.33Hz。所有振动时效均采用三阶振动形式，需要在试验真正启动前，利用加速度传感器对振动板进行扫频测试，以精准获取振动板的三阶最大固有频率，并以此作为后续振动时效处理的核心参数。采用共振频率作为工作频率是由于当激振频率接近振动系统的共振频率时，系统可产生较大的振动响应，从而使能量更充分地传递至TC21钛合金试样。相比于设置不同振动频率数值，共振频率条件下更有利于热振复合过程的动态力传递作用。本文所设置的振动频率参数并非随意设置，而是基于扫频测试结果确定的共振参数。

热振复合处理工艺温度设置为250、300、400、600℃，所有冷却方式均为随炉冷却，所有保温时间均设置为3h，采用此冷却方式可有效保证温度的均匀下降，以此避免因降温速率过快而使零件产生新的附加应力。本试验并不是简单的先热后振分步处理，而是热温度场与交变载荷振动场的同步协同，试验过程中需要确保热温度与振动时效能量始终共同作用于TC21钛合金零件。通过加速度传感器扫频得出的三阶最大固有频率，并以此作为振动时效工作频率，三种工作频率分别持续振动10min，单个零件总振动时长为30min。采用三阶协同振动方式，可有效消除TC21钛合金内部不同程度的残余应力。然而，单一频率对残余应力的消除不彻底，采用三种不同振动频率的应力消除方式，能够显著提升零件残余应力调控的均匀性，最终为TC21钛合金力学性能的优化奠定理论基础。

为评估热振复合应力调控设备对TC21钛合金残余应力的调控效果，进行零件初始及热振复合调控后残余应力的测试，测试设备为X射线残余应力测试仪，测试过程严格遵循《GB/T7704-2017无损检测X射线应力测定方法》国家标准，该测试方法基于X射线衍射原理并具备极高测试精度与数据准确性，能够精准捕捉零件表面与近表层面的残余应力。同时，X射线残余应力测试方法属于无损检测，应力测试过程中不需要对TC21钛合金进行破坏处理，能够在不损伤零件表面完整性和不影响其力学性能的前提下，完成残余应力精准检测，可为残余应力调控效果对比分析提供可靠的技术支撑。

残余应力测试点位于TC21钛合金中部截面部分，主要对其轴向残余应力进行测试，并以此反映零件中部截面区域的残余应力分布状态。测试点共有2处，选取零件中间截面任一位置作为测试点1，而该截面部分且与测试点1相对的背部位置为测试点2，两点在圆周方向的角度为180°，两点对称分布，进一步探究中部截面部分残余应力的分布状态，可为分析热振复合处理对应力的均化效果提供可靠支撑。

2、试验结果与分析

2.1残余应力分析

对TC21钛合金零件进行多次应力调控验证，工艺路线为"加热-保温-振动-炉冷"，热时效与振动时效相互耦合同步进行，整个试验过程均在热振复合残余应力调控设备中进行，以此确保TC21钛合金的应力调控准确性。在TC21钛合金热振复合处理前后残余应力测试过程中，每一个样件均测试其轴向残余应力数据，且每个零件均测试两个点位，选取点位1为TC21钛合金零件中间截面任意一点，则点位2为点位1的垂直方向的另一面点位，每1个测试点均测试2次数据并取平均值，共设置4个工艺阶段，分别为250℃×3h随炉冷却×30min振动、300℃×3h随炉冷却×30min振动、400℃×3h随炉冷却×30min振动、600℃×3h随炉冷却×30min振动。

如图5所示，本文共进行了4组不同温度条件下的热振复合处理试验，热处理温度分别为250、300、400、600℃，除热时效温度不同，各组试样的保温时间、冷却方式、振动频率与振动时长均保持一致。由于所有试样均由同一批次TC21钛合金经相同车削工艺加工制备而成，初始残余应力状态具有一定的一致性。受试验条件限制，本文只测试了前5个TC21钛合金零件的初始残余应力数据，用以表征该批试样的初始残余应力水平。同时，对所有钛合金试样进行了热振处理后的残余应力测试，用以分析不同温度条件下的残余应力演化规律。

测试结果表明，TC21钛合金试样经热振复合处理后，其轴向残余应力整体处于较高的压应力状态，前5件试样的初始残余应力平均值为-519.6MPa。经过不同温度条件下的热振复合处理后，试样轴向残余应力绝对值均较初始参考值出现不同程度降低。其中，250℃工艺阶段热振后残余应力数值为-361.8MPa，300℃工艺阶段热振后残余应力数值为-448.2MPa，400℃工艺阶段热振后残余应力数值为-253.6MPa，600℃工艺阶段热振后残余应力数值为-94.8MPa。从数据结果来看，随着处理温度的升高，TC21钛合金试样表面的轴向残余应力呈降低趋势，这表明热振复合处理温度的提高能够进一步促进零件残余应力的释放。300℃组处理后的残余压应力绝对值高于250℃组，表现出一定波动性。这可能与试样初始残余应力状态、局部加工以及X射线测试的表面状态有关。经机械加工后TC21钛合金表面残余应力具有不均匀性，单一温度组测试结果将受局部应力集中与测试点差异的影响。300℃组出现较高残余应力不代表热振复合处理失效，而是能够反映出测试结果受试样初始残余应力状态与局部应力分布影响。

为表征不同温度下热振复合处理对TC21钛合金零件轴向残余应力的调控效果，本文以同批次试样中前5件初始轴向残余应力平均值作为初始参考值，参考值为-519.6MPa，以此计算不同温度处理后的残余应力降低率。残余应力降低率按式(1)进行计算:

式中： σ 0 为同批次试样热振处理前轴向残余应力平均值，MPa； σ t 为不同温度下热振复合处理后的轴向残余应力平均值，MPa； η为残余应力降低率。

如图6所示，不同温度条件下热振复合处理后轴向残余应力呈现明显变化趋势。250℃、300℃和400℃条件下的残余应力降低率分别为30.4%、13.7%和51.2%，其中，600℃条件下残余应力降低最为显著，应力降低率高达81.8%。

2.2硬度变化分析

为进一步分析热振复合处理对TC21钛合金力学性能的影响规律，采用维氏硬度测试法(HV0.5)对原始态与600℃热振态零件进行硬度测试与对比分析，其测试结果见表3。由表中数据可以看出，原始态试样的维氏硬度平均值为365.6HV0.5，而经600℃热振复合处理后，试样硬度下降至350.0HV0.5，整体呈现出一定幅度的降低趋势，降幅约为4%~5%。

热振复合处理不但能够有效释放TC21钛合金内部残余应力，而且温度的不断升高会使零件内部原子发生扩散，对其内部组织造成重排布，这也是导致零件硬度下降的原因。从表3维氏硬度测试结果来看，热振态与原始态的数据离散性明显不同，热振态则表现出更为优异的数据均匀性，这表明热振复合处理工艺在降低残余应力的同时，还可进一步提升应力的分布均匀性。此效果可以让钛合金零件使用更稳定并不易变形，同时其力学性能更为优异，能够在复杂交变受力情况下长期稳定使用。

本文仅对原始态与600℃热振态零件进行了硬度测试对比，尚未系统比较不同温度条件下的硬度变化规律，因此硬度结果主要用于辅助说明热振复合处理对TC21钛合金材料表面力学响应的影响规律。

表3 TC21钛合金原始态与600℃热振复合处理态的维氏硬度

2.3断口形貌分析

由于原始态试样未进行断口形貌采集，本研究主要针对热振复合处理后试样进行SEM形貌观测，用以分析零件的微观断裂特征及损伤机制。结合前述残余应力的测试结果可知，在三阶段振动参数条件下，600℃热振复合处理后的试样轴向残余应力降低率最大，试样残余应力平均值由同批次初始参考值-519.6MPa降低至-94.8MPa，具有非常优异的残余应力调控效果。因此，本文选取600℃热振复合处理后的疲劳试样作为代表性样品进行SEM形貌观测，用以分析较高温度热振复合处理后钛合金试样的断裂行为。本文未系统比较不同热振温度下的试样断口形貌差异，主要反映600℃热振复合处理后疲劳试样的断裂特征。

断口形貌如图7所示，在低倍形貌图中可以发现断口整体呈现出显著的粗糙特征，内部存在清晰的台阶状断裂单元，表明裂纹扩展过程能够沿特定方向优先生长;断口形貌存在表层向内部不断扩展的趋势，这表明零件存在裂纹萌生与扩展，最终发生瞬时性断裂(图7a)。在中倍形貌下断口表面呈现台阶状结构，并伴随着局部裂纹出现，表现出一定的准解理断裂特征。裂纹在扩展过程中呈现出一定的方向性，同时伴随局部塑性变形发生(图7b、图7c)。高倍形貌下可以观察到明显的韧窝及撕裂棱结构，这表明零件在断裂过程中发生了严重的塑性变形，而且韧窝分布不均匀且断裂面交替出现(图7d)。综合分析表明，TC21钛合金在温度600℃、保温时长3h和三阶振动30min的热振复合处理过程，其断裂行为以准解理断裂为主，并伴有局部韧性断裂。

断裂特征与热振复合处理过程中残余应力再分布密切相关，热振复合处理改变了材料表层残余应力状态及微观组织，最终影响了裂纹萌生及拓展路径。然而，在600℃条件下，零件材料局部组织的稳定性将发生变化，在循环交变应力载荷作用下会形成局部应力集中，这将促进材料内部裂纹萌生与扩展。断口中同时存在准解理特征和韧窝，这说明零件在断裂过程中既发生了脆性扩展，同时也伴随塑性变形。上述结果表明，热振复合处理通过调控残余应力分布状态及微观组织特征，对TC21钛合金的断裂扩展行为具有一定程度的影响，可为其断裂机制分析提供理论依据。

3、结语

本文以TC21钛合金为研究对象，利用自主研发的热振复合应力调控设备对其进行热振处理试验，所有试样均采用三阶段振动的方式，振动时间、振动频率及保温时间均保持一致，以研究不同处理温度对TC21钛合金残余应力调控效果的影响，得出如下结论:

(1)热振复合处理试验中温度的升高，可有效释放TC21钛合金零件的轴向残余应力，而保温时间与振动时效参数相同时，温度越高零件的应力绝对值将不断下降。在250℃、300℃和400℃的温度下，残余应力下降幅度略低，然而温度设置到600℃时，零件残余应力释放效果尤为显著，应力降低率高达81.8%。

(2)依据维氏硬度(HV0.5)测试结果来看，原始态TC21钛合金的硬度平均值为365.6HV0.5，经过热振复合处理之后其硬度平均值则下降至350.0HV0.5，下降幅度为4.3%;同时发现热振态零件5个位置的硬度数据离散性将进一步减小，这表明零件内部的残余应力分布得到有效改善。

(3)对600℃热振复合处理后的TC21钛合金零件进行SEM断口形貌观测，研究发现断口同时出现了准解理特征与韧窝结构，这表明材料在断裂过程中既发生脆性扩展，同时亦伴随着塑性变形。TC21钛合金零件的断裂特征与热振复合处理效果密切相关，这种热-振协同作用不但能够改善材料内部残余应力的分布状态，亦可对材料微观组织结构产生显著影响，最终导致裂纹萌生与扩展。

综上所述，热振复合处理能够有效改善TC21钛合金的残余应力分布状态，并且可以提升力学响应的一致性，可为后续热振复合工艺参数的优化提供建设性参考。

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（注，原文标题：不同温度下热振复合处理对TC21钛合金残余应力的影响_肖文涛）