表面纳米化对Ti-2Al-2.5Zr合金管高循环疲劳性能的影响研究

Effect of Surface Nanocrystallization on High-Cycle Fatigue Behavior of Ti–2Al–2.5Zr Alloy Tube

导读

梯度纳米结构表面（GNS）能够显著提升金属及合金的性能。本研究深入探讨了GNS对Ti–2Al–2.5Zr合金管材寿命的影响机制。通过深滚（DR）处理在合金管内壁获得不同厚度的GNS层，采用应力控制的高循环疲劳（HCF）试验研究其疲劳行为。研究结果表明：DR处理后的样品表面粗糙度降低、硬化层增加，综合力学性能显著优于原始样品。经过10^7周次循环加载后，DR样品的疲劳强度从166.5 MPa提升至189 MPa，提升幅度达13.5%。更为重要的是，疲劳裂纹萌生位置从表面转移至亚表面，裂纹沿滑移系的萌生特征得以揭示。研究认为，深滚处理产生的纳米晶和孪晶是延迟裂纹萌生与扩展、提高高循环疲劳寿命的关键因素。本研究为小堆蒸汽发生器换热管的选材和安全评估提供了重要的实验依据。

图1 Ti–2Al–2.5Zr合金管内壁附近的初始微观织构：(a) 反极图，(b) 极图。AD、RD和TD分别表示管的轴向、径向和切向方向。

研究概述

小型模块化反应堆（SMR）的蒸汽发生器（OTSG）是确保紧凑布局的关键设备。换热管的可靠性直接关系到核电站运行的稳定性和安全性。Ti–2Al–2.5Zr合金因其高比强度、优良的高温性能和耐腐蚀性能，是换热管的理想候选材料。然而，管材在冷轧过程中不可避免地存在微裂纹、锯齿状缺陷，在反应堆运行期间，这些缺陷在气体压力波动或流体振动引起的循环载荷作用下，最终导致高循环疲劳（HCF）失效。

本研究由天津大学化工学院陈刚、崔云、林强等人联合中国核动力研究设计院共同完成，成果发表于International Journal of Fatigue期刊（2022年第158卷）。

实验方法与核心发现

实验材料为壁厚1.5mm、外径8mm的Ti–2Al–2.5Zr合金管材，其微观组织为等轴α相Ti晶粒，呈双峰基面织构特征。DR处理采用Hertz接触理论，通过抛光WC/Co圆锥柱体压入管内壁产生法向力，使管内壁产生梯度纳米结构。处理参数为：主轴转速410 rpm、给进速度2 mm/s、每次滚压增量10μm。处理后分别获得20μm和40μm两种GNS层厚度的样品。

图2 疲劳试样几何形状与尺寸（单位：mm）。

图3 不同试样内表面的光学显微镜图像和表面形貌：(a, b) 原始试样，(c, d) DR 20 μm，(e, f) DR 40 μm。

图4 DR 20 μm样品距内表面不同深度的明场TEM图像：(a) ~20 μm，(b) ~50 μm，(c) ~100 μm，(d) ~200 μm。插图：选区电子衍射（SAED）花样。

图5 DR 40 μm样品距内表面不同深度的明场TEM图像：(a) ~20 μm，(b) ~50 μm，(c) ~100 μm，(d) ~150 μm。插图：SAED花样。

1. GNS层微观结构特征

经DR处理后，管内壁晶粒显著细化。随着处理深度的增加，晶粒细化程度和影响深度明显增加。表面粗糙度从26.46 μm降至4.89~6.56 μm，显著改善了表面质量。TEM分析表明，DR 20 μm样品在20μm深度处观察到含高位错密度的层状结构，显示纳米孪晶特征（平均厚度~150nm）；而在50μm深度处，拉伸孪晶成为主要特征。DR 40 μm样品在20μm深度处已形成大量纳米晶（平均尺寸~90nm），SAED花样呈环状表明多晶特征。硬度测试显示，DR 40 μm样品的表面硬度达515 HV，超过基体材料硬度（175 HV）的两倍。

图6 不同试样的微硬度分布

2. 拉伸力学性能显著提升

随着DR处理深度的增加，屈服强度和抗拉强度均明显提高。DR 40 μm样品的抗拉强度比原始样品提高12%。由于加工硬化效应，塑性在可接受范围内有所降低，但延伸率基本保持不变，实现了强度和塑性的综合提升。拉伸断口形貌分析表明，DR 20 μm和40 μm样品的内壁附近存在多个剪切韧窝，这与梯度微观结构中孪晶的存在有关。

图7 不同试样的拉伸工程应力-应变曲线及断裂表面

3. 高循环疲劳寿命显著延长

S-N曲线显示，所有DR样品的疲劳抗力均优于原始样品。在高应力幅值（如σa=189 MPa）条件下，DR 40 μm样品的寿命是原始样品的6倍。DR 40 μm样品的疲劳极限（189 MPa）比原始样品（166.5 MPa）提高13.5%。DR处理样品在较低应力幅值下疲劳性能的提升更为显著。

图8 DR处理前后试样的S-N曲线，"→"表示试样未发生断裂。

4. 疲劳裂纹萌生位置从表面转移至亚表面

原始试样呈现单一裂纹源，裂纹从内壁表面萌生。DR处理后，裂纹萌生位置转移至亚表面，这与GNS层、低表面粗糙度和加工硬化层的综合作用有关。在原始试样中，裂纹沿滑移系萌生；而在DR试样中，纳米晶和孪晶增加了晶界数量，有效抑制了裂纹的萌生与扩展。孪晶界的存在进一步阻碍了裂纹扩展路径，提高了疲劳寿命。

图9 原始试样A1断口形貌（σa=171 MPa, Nf=4.99×10⁵ cycles）：(a) 宏观图像，(b) 裂纹萌生区，(c) 裂纹扩展区，(d) 认定的裂纹萌生小刻面。

图10 DR 20 μm试样断口形貌（σa=189 MPa, Nf=5.51×10⁵ cycles）：(a) 宏观图像，(b) 裂纹萌生区，(c) 裂纹扩展区，(d) 裂纹萌生区高倍图像。

图11 原始试样A2断口形貌（σa=171 MPa, Nf=1.11×10⁶ cycles）：(a) 宏观图像，(b) 裂纹萌生区，(c) 最终断裂区，(d) 认定的裂纹萌生小刻面。

图12 DR 40 μm试样断口形貌（σa=202.5 MPa, Nf=1.25×10⁵ cycles）：(a) 宏观图像，(b) 裂纹萌生区，(c) 裂纹扩展区，(d) 裂纹萌生区高倍图像。

图13 通过EBSD分析收到的样本（a，b）A1和（f，g）A2获得的IPF图；（c–e，h–j）晶粒F1-F6的小面与IPF中不同滑移系统之间的关系。

5. 裂纹萌生机制分析

原始试样中，裂纹萌生主要与α晶粒的小刻面特征相关。通过定量倾斜法和连续切片法分析表明，小刻面法向与加载轴的夹角在45°~55°范围内时，优先启动棱柱滑移或基面滑移；而夹角小于15°的小刻面可促进刻面裂纹扩展。在DR试样中，裂纹在亚表面萌生，未观察到明显的刻面形貌。纳米孪晶引入了滑移不可逆性机制，有效阻碍了循环载荷下裂纹的扩展。

图14 两个DR样品中沿加载方向的疲劳裂纹：(a-c) DR 20 μm，(d-f) 40 μm样品。(a, d) IPF和图像质量图，(b, e) SEM图像，(c, f) 高倍图像。

结论与工程启示

本研究系统研究了DR处理对Ti–2Al–2.5Zr合金管微观组织和HCF性能的影响，主要结论如下：

（1）GNS层的形成：DR处理在管内壁引入了由纳米晶、纳米孪晶区、孪晶区和基体组成的梯度纳米结构。表面粗糙度从26.46 μm降至6.56 μm，表面显微硬度（515 HV）是基体材料硬度（175 HV）的两倍以上。

（2）拉伸性能提升：DR 40 μm样品的抗拉强度比原始样品提高12%。强度的提升主要归因于GNS层的演化，包括变形孪晶和位错滑移。Hall-Petch效应、位错钉扎和孪晶界强化共同作用，使材料强度显著提升，但加工硬化也导致塑性有所下降。

（3）疲劳性能改善：DR处理可显著提高疲劳寿命。DR 40 μm样品的疲劳极限（189 MPa）比原始样品（166.5 MPa）提高13.5%。疲劳裂纹源位置因GNS、低表面粗糙度和加工硬化层的综合作用，从表面转移至亚表面。

（4）裂纹萌生机理差异：在原始试样中，裂纹沿具有较大Schmid因子的滑移系形成小刻面而萌生；在DR试样中，GNS层的晶界增加和孪晶强化有效抑制了裂纹萌生，显著提升了高循环疲劳性能。

工程启示

本研究为小堆蒸汽发生器换热管的制造和合格评定提供了重要的实验依据。深滚作为一种有效的表面纳米化技术，可显著提升Ti合金管材的疲劳性能，对延长设备服役寿命具有重要意义。在实际工程应用中，应根据具体工况选择合适的DR处理参数，以实现强度与塑性的最佳匹配。同时，GNS层的稳定性在高温或长期循环载荷下的行为值得进一步研究。