钛合金因拥有高比强度、优异的耐侵蚀机能和优良的力学机能，已成为航空、航天领域关键承力构件造作的沉要资料。飞机起落架必要持久接受极端复杂的运行工况，飞机降落/腾飞阶段起落架装置必要面对巨大的荷载冲击，同时陪伴着高频次的交变抖擞为用。钛合金因拥有高强度、低密度、优异的耐侵蚀机能以及较高的力学不变性，其已成为我国航空、航天领域高端设备的主题结构资料，在极端服役环境中阐扬着关键性作用[1-6]。对于TC21钛合金资料而言，其抗拉强度可达到1100~1200MPa，委顿极限(107周次)可达600MPa，兼具高断裂韧性和优异的抗委顿机能，可在复杂多变的温度区间内实现不变服役，因而被宽泛利用在航空、航天领域的高精密、高强度设备造作[7-9]。然而，TC21钛合金在焊接、减材造作、铸造等加工过程中，容易受加工温度梯度、交变荷载和相变的影响，表表缺口敏感性高且易产生委顿失效，这将严沉造约其在极端复杂工况环境下的利用潜力[10-13]。

热振复合处置的工作道理是通过热处置降低资料的屈服强度，进而推进资料内部的原子扩散，再辅以振动时效处置来引发资料产生微观塑性变动，以此实现残存应力的有效开释和微观组织再次优化，最终提升资料的力学机能与服役强度。国内表学者萦绕热振复合处置的工艺参数、作用机造和机能调控等方向发展钻研，并形成了一系列成就[14-19]。哈尔滨工业大学利用热振复应时效对焊接结构进行应力解除，发现热振复应时效可能有效降低资料的屈服强度和固有频率[20-21]。中南大学李美春选取热振时效工艺钻研 6061 铝合金中厚板残存应力的均化成效，钻研发现当温度达到其时效强化领域时再进行振动时效处置，能够同时达到强化和应力均化成效[22]。刘晓霏等人设计出热振复合应力调控装置样机，选取盲孔法进行应力检测，钻研批注样件的应力值得到有效节造，其可在铝合金资料加工领域阐扬沉要作用[23]。北京科技大学利用热振复应时效技术对 SLM-AlSi10Mg 合金残存应力和力学机能进行深度钻研，了局批注振动时效处置是通过动态应力和残存应力的叠加，从而推进微观应变并增长位错密度[24]。北京航空航天大学选取扰爪力和振动应力结合方式进行残存应力解除试验，了局批注热振时效和热时效均能解除 Ti6Al4V 资料残存应力的 90%以上，而热振时效的解除效能是热时效的 4.2 倍[25]。

已有钻研批注，热振复合处置在铝合金、钛合金及增材造作残存应力调控等方面拥有很大的利用潜力。对于TC21钛合金而言，其钻研大多集中在热处置、组织机能、委顿断裂及焊接残存应力等方向;分歧温度前提下，热振复合处置对TC21钛合金残存应力演化法规及断口描摹特点钻研相对有限。因而，本文以TC21钛合金构件为钻研对象，利用自主搭建的残存应力调控设备发展分歧温度前提下的热振复合处置试验，沉点钻研热振复合处置对其轴向残存应力变动法规的影响，并结合断口描摹分析会商其断裂行为特点，以期为TC21钛合金构件残存应力调控技术提供理论凭据。

1、试验与步骤

1.1试验资料

试样均由统一批次的 TC21钛合金资料车削加工而成，试样的结构如图1所示，零件中部截面部门直径为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，其拥有优异的韧性及抗委顿机能，被宽泛利用在航空、航天领域关键承力构件加工造作中，例如飞机起落架、机身框架、机翼承载等零件。所有TC21钛合金试样均选取一样的加工工艺和装夹方式进行造备，加工后对所有试样的表观、关键尺寸及表表状态进行了查抄，以此保障试样之间的加工一致性。残存应力测试地位位于试样中部的等直径区域，测试点位于试样中心对称处，重要观测分歧热振复合处置温度前提下的轴向残存应力变动法规。因而，在试样几何尺寸和表表状态根基一致的前提下，车削加工精度差距对残存应力变动趋向的影响较幼。

该TC21钛合金蕴含合金元素及微量杂质元素，重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元素起到不变α相、增大资料强度作用，Mo、Nb、Cr等元素可能援手改善资料的淬透性。此表，Zr元素可提高合金资料的组织不变性并改善其力学机能。与此同时，少量杂质元素例如Fe、C、N、O等，这些元素固然含量较低，但对资料机能拥有显著的影响。因而，对TC21钛合金中重要元素及杂质元素的含量进行严格节造，可进一步保障资料机能的不变性与靠得住性。

表1 TC21钛合金化学成分(质量分数%)

1.2热振复合残存应力调控设备

本钻研选取自主搭建的热振复合残存应力调控设备，实现对TC21钛合金构件的热振复合处置。该调控设备重要由加热系统、振动系统、节造系统及专用夹具等组成，设备工作道理如图2所示，设备整体结构如图3所示。

热振复合处置的工作道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存应力得以开释。热振复合处置设备在工作时，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节造器;振动节造器亦接管振动信号，从而实现热温度场与振动应变场的协同节造，最终实现零件热-振复合残存应力调控。

热振复合残存应力调控设备内部的振动板为异型结构，振动板上方用于搁置夹具、工件等，夹具与工件选取螺栓固定方式卡紧，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，用以预防高温对振动电机产生粉碎。振动板底部设置有弹性支持装置，由于高频振动时其会接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持不变性。

如图4所示，热振复合处置设备的炉腔内部重要蕴含振动板、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，以此保障电机激振力可能有效传递至零件。热振复合调控设备可能实现热温度场与振动场的耦合作用，最终可为TC21钛合金残存应力的有效调控提供技术支持。

热振复合处置设备的重要技术指标如下:温度节造领域为25~600℃，测试区域尺寸为1100mm×950mm×900mm，温度节造精杜着于±3℃，升温速度≥10℃/min。本文所选取的激振器型号为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置步骤对TC21钛合金试样进行热振试验，为沉点探索热处置温度对试样轴向残存应力的调控成效，试验中将振动频率统一设置为固定值，所有迪胙合金试样均选取一样的三阶段振动工艺，即转速别离为2800、5200、5600r/min，对应电机振动频率别离为46.67、86.67、93.33Hz。所有振动时效均选取三阶振动大局，必要在试验真正启动前，利用加快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置的主题参数。选取共振频率作为工作频率是由于当激振频率靠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。相迸宗设置分歧振动频率数值，共振频率前提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轻易设置，而是基于扫频测试了局确定的共振参数。

热振复合处置工艺温度设置为250、300、400、600℃，所有冷却方式均为随炉冷却，所有保温功夫均设置为3h，选取此冷却方式可有效保障温度的均匀降落，以此预防因降温速度过快而使零件产生新的附加应力。本试验并不是单一的先热后振分步处置，而是热温度场与交变载荷振动场的同步协同，试验过程中必要确保热温杜纂振动时效力量始终共同作用于TC21钛合金零件。通过加快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，三种工作频率别离持续振动10min，单个零件总振动时长为30min。选取三阶协同振动方式，可有效解除TC21钛合金内部门歧水平的残存应力。然而，单一频率对残存应力的解除不彻底，选取三种分歧振动频率的应力解除方式，可能显著提升零件残存应力调控的均匀性，最终为TC21钛合金力学机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钛合金残存应力的调控成效，进行零件初始及热振复合调控后残存应力的测试，测试设备为X射线残存应力测试仪，测试过程严格遵循《GB/T7704-2017无损检测X射线应力测定步骤》国度尺度，该测试步骤基于X射线衍射道理并具备极高测试精杜纂数据正确性，可能精准捉拿零件表表与近表层面的残存应力。同时，X射线残存应力测试步骤属于无损检测，应力测试过程中不必要对TC21钛合金进行粉碎处置，可能在不危险零件表表齐全性和不影响其力学机能的前提下，实现残存应力精准检测，可为残存应力调控成效对比分析提供靠得住的技术支持。

残存应力测试点位于TC21钛合金中部截面部门，重要对其轴向残存应力进行测试，并以此反映零件中部截面区域的残存应力散布状态。测试点共有2处，拔取零件中央截面任一地位作为测试点1，而该截面部门且与测试点1相对的背部地位为测试点2，两点在圆周方向的角度为180°，两点对称散布，进一步探索中部截面部门残存应力的散布状态，可为分析热振复合处置对应力的均化成效提供靠得住支持。

2、试验了局与分析

2.1残存应力分析

对TC21钛合金零件进行屡次应力调控验证，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存应力调控设备中进行，以此确保TC21钛合金的应力调控正确性。在TC21钛合金热振复合处置前后残存应力测试过程中，每一个样件均测试其轴向残存应力数据，且每个零件均测试两个点位，拔取点位1为TC21钛合金零件中央截面肆意一点，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次数据并取均匀值，共设置4个工艺阶段，别离为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组分歧温度前提下的热振复合处置试验，热处置温度别离为250、300、400、600℃，除热时效温度分歧，各组试样的保温功夫、冷却方式、振动频率与振动时长均维持一致。由于所有试样均由统一批次TC21钛合金经一样车削工艺加工造备而成，初始残存应力状态拥有肯定的一致性。受试验前提限度，本文只测试了前5个TC21钛合金零件的初始残存应力数据，用以表征该批试样的初始残存应力水平。同时，对所有钛合金试样进行了热振处置后的残存应力测试，用以分析分歧温度前提下的残存应力演化法规。

测试了局批注，TC21钛合金试样经热振复合处置后，其轴向残存应力整体处于较高的压应力状态，前5件试样的初始残存应力均匀值为-519.6MPa。经过分歧温度前提下的热振复合处置后，试样轴向残存应力绝对值均较初始参考值出现分歧水平降低。其中，250℃工艺阶段热振后残存应力数值为-361.8MPa，300℃工艺阶段热振后残存应力数值为-448.2MPa，400℃工艺阶段热振后残存应力数值为-253.6MPa，600℃工艺阶段热振后残存应力数值为-94.8MPa。从数据了局来看，随着处置温度的升高，TC21钛合金试样表表的轴向残存应力呈降低趋向，这批注热振复合处置温度的提高可能进一步推进零件残存应力的开释。300℃组处置后的残存压应力绝对值高于250℃组，阐发出肯定颠簸性。这可能与试样初始残存应力状态、部门加工以及X射线测试的表表状态有关。经机械加工后TC21钛合金表表残存应力拥有不均匀性，单一温度组测试了局将受部门应力集中与测试点差距的影响。300℃组出现较高残存应力不代表热振复合处置失效，而是可能反映出测试了局受试样初始残存应力状态与部门应力散布影响。

为表征分歧温度下热振复合处置对TC21钛合金零件轴向残存应力的调控成效，本文以同批次试样中前5件初始轴向残存应力均匀值作为初始参考值，参考值为-519.6MPa，以此推算分歧温度处置后的残存应力降低率。残存应力降低率按式(1)进行推算:

式中： σ 0 为同批次试样热振处置前轴向残存应力均匀值，MPa； σ t 为分歧温度下热振复合处置后的轴向残存应力均匀值，MPa； η为残存应力降低率。

如图6所示，分歧温度前提下热振复合处置后轴向残存应力出现显著变动趋向。250℃、300℃和400℃前提下的残存应力降低率别离为30.4%、13.7%和51.2%，其中，600℃前提下残存应力降低最为显著，应力降低率高达81.8%。

2.2硬度变动分析

为进一步分析热振复合处置对TC21钛合金力学机能的影响法规，选取维氏硬度测试法(HV0.5)对原始态与600℃热振态零件进行硬度测试与对比分析，其测试了局见表3。由表中数据能够看出，原始态试样的维氏硬度均匀值为365.6HV0.5，而经600℃热振复合处置后，试样硬度降落至350.0HV0.5，整体出现出肯定幅度的降低趋向，降幅约为4%~5%。

热振复合处置不只可能有效开释TC21钛合金内部残存应力，并且温度的不休升高会使零件内部原子产生扩散，对其内部组织造成沉排布，这也是导致零件硬度降落的原因。从表3维氏硬度测试了局来看，热振态与原始态的数据离散性显著分歧，热振态则阐发出更为优异的数据均匀性，这批注热振复合处置工艺在降低残存应力的同时，还可进一步提升应力的散布均匀性。此成效能够让钛合金零件使用更不变并不易变形，同时其力学机能更为优异，可能在复杂交变受力情况下持久不变使用。

本文仅对原始态与600℃热振态零件进行了硬度测试对比，尚未系统比力分歧温度前提下的硬度变动法规，因而硬度了局重要用于辅助注明热振复合处置对TC21钛合金资料表表力学响应的影响法规。

表3 TC21钛合金原始态与600℃热振复合处置态的维氏硬度

2.3断口描摹分析

由于原始态试样未进行断口描摹采集，本钻研重要针对热振复合处置后试样进行SEM描摹观测，用以分析零件的微观断裂特点及危险机造。结合前述残存应力的测试了局可知，在三阶段振动参数前提下，600℃热振复合处置后的试样轴向残存应力降低率最大，试样残存应力均匀值由同批次初始参考值-519.6MPa降低至-94.8MPa，拥有极度优异的残存应力调控成效。因而，本文拔取600℃热振复合处置后的委顿试样作为代表性样品进行SEM描摹观测，用以分析较高温度热振复合处置后钛合金试样的断裂行为。本文未系统比力分歧热振温度下的试样断口描摹差距，重要反映600℃热振复合处置后委顿试样的断裂特点。

断口描摹如图7所示，在低奔摹图中能够发现断口整体出现出显著的粗糙特点，内部存在清澈的台阶状断裂单元，批注裂纹扩大过程可能沿特定方向优先成长;断口描摹存在表层向内部不休扩大的趋向，这批注零件存在裂纹萌生与扩大，最终产生瞬时性断裂(图7a)。在中奔摹下断口表表出现台阶状结构，并陪伴着部门裂纹出现，阐发出肯定的准解理断裂特点。裂纹在扩大过程中出现出肯定的方向性，同时伴随部门塑性变形产生(图7b、图7c)。高奔摹下能够观察到显著的韧窝及扯破棱结构，这批注零件在断裂过程中产生了严沉的塑性变形，并且韧窝散布不均匀且断裂面交替出现(图7d)。综合分析批注，TC21钛合金在温度600℃、保温时长3h和三阶振动30min的热振复合处置过程，其断裂行为以准解理断裂为主，并伴有部门韧性断裂。

断裂特点与热振复合处置过程中残存应力再散布亲昵有关，热振复合处置扭转了资料表层残存应力状态及微观组织，最终影响了裂纹萌生及拓展蹊径。然而，在600℃前提下，零件资料部门组织的不变性将产生变动，在循环交变应力载荷作用下会形成部门应力集中，这将推进资料内部裂纹萌生与扩大。断口中同时存在准解理特点和韧窝，这注明零件在断裂过程中既产生了脆性扩大，同时也伴随塑性变形。上述了局批注，热振复合处置通过调控残存应力散布状态及微观组织特点，对TC21钛合金的断裂扩大行为拥有肯定水平的影响，可为其断裂机造分析提供理论凭据。

3、结语

本文以TC21钛合金为钻研对象，利用自主研发的热振复合应力调控设备对其进行热振处置试验，所有试样均选取三阶段振动的方式，振动功夫、振动频率及保温功夫均维持一致，以钻研分歧处置温度对TC21钛合金残存应力调控成效的影响，得出如下结论:

(1)热振复合处置试验中温度的升高，可有效开释TC21钛合金零件的轴向残存应力，而保温功夫与振动时效参数一样时，温度越高零件的应力绝对值将不休降落。在250℃、300℃和400℃的温度下，残存应力降落幅度略低，然而温度设置到600℃时，零件残存应力开释成效尤为显著，应力降低率高达81.8%。

(2)凭据维氏硬度(HV0.5)测试了局来看，原始态TC21钛合金的硬度均匀值为365.6HV0.5，经过热振复合处置之后其硬度均匀值则降落至350.0HV0.5，降落幅度为4.3%;同时发现热振态零件5个地位的硬度数据离散性将进一步减幼，这批注零件内部的残存应力散布得到有效改善。

(3)对600℃热振复合处置后的TC21钛合金零件进行SEM断口描摹观测，钻研发现断口同时出现了准解理特点与韧窝结构，这批注资料在断裂过程中既产生脆性扩大，同时亦陪伴着塑性变形。TC21钛合金零件的断裂特点与热振复合处置成效亲昵有关，这种热-振协同作用不只可能改善资料内部残存应力的散布状态，亦可对资料微观组织结构产生显著影响，最终导致裂纹萌生与扩大。

综上所述，热振复合处置可能有效改善TC21钛合金的残存应力散布状态，并且能够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：分歧温度下热振复合处置对TC21钛合金残存应力的影响_肖文涛）