TC4鈦合金激光焊接接頭力學行為的原位研究

趙錫龍，宋 旭，張建勛

(西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049)

TC4鈦合金激光焊接接頭力學行為的原位研究

趙錫龍，宋 旭，張建勛

(西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049)

采用掃描電鏡(SEM)原位拉伸法觀察TC4鈦合金激光焊接接頭各微區(qū)孔洞形核與成長、損傷與斷裂行為，研究接頭微觀組織對其損傷和斷裂行為的影響。結果表明：焊縫區(qū)裂紋形核于晶內孿晶、滑移線與晶界交匯處，主裂紋形成直至最終斷裂；熱影響區(qū)多裂紋起裂，單一裂紋擴展至最終斷裂；母材區(qū)孔洞優(yōu)先形核于相界面及晶界區(qū)域，缺口前端孔洞群相互貫穿直至最終斷裂。當應變超過0.023時，母材區(qū)及熱影響區(qū)靠近母材一側從協(xié)調變形向以界面微孔洞的行核與聚合為主轉化；焊縫區(qū)粗大晶粒內部網(wǎng)籃狀馬氏體存在且晶界面積較小，導致變形機制未發(fā)生改變，促使其力學性能低于焊縫的。

TC4鈦合金；激光焊接接頭；原位拉伸

鈦合金由于其具有良好的力學性能和耐蝕性能而被廣泛地應用于航空航天和造船等領域[1]。對于鈦合金及其焊接接頭各微區(qū)的斷裂行為，很多學者進行了大量研究。CHAN等[2]在研究TiAl合金時發(fā)現(xiàn)，等軸狀γ合金的斷裂方式為顯微裂紋和主裂紋連接，然后擴展，最終導致斷裂。CHEN等[3]在研究Ti-46.3AI-2V-1Cr合金片層狀結構時，發(fā)現(xiàn)斷裂驅動力為拉伸應力。而在焊接過程中，隨著加熱方式與冷卻速率不同，焊接接頭各區(qū)域組織與晶粒尺寸也有所不同，這對接頭力學性能、損傷及斷裂行為影響很大。

張建勛等[4]和王蕊等[5]在研究 TC4鈦合金激光焊接接頭時，考慮接頭力學不均勻性，并結合均勻材料研究斷裂力學思想給出其等效屈服應力和等效加工硬化指數(shù)。也有學者將焊接接頭進行分區(qū)結合G-T-N模型來研究其力學不均勻性[6]，但G-T-N損傷模型無法考慮晶粒大小及晶界對微孔洞的影響[7?8]。管欣和耿小亮[9]研究證明多晶體晶界對孔洞力學行為的影響，得出了孔洞易于從晶界處形核而擴展的結論，認為應該重視孔洞周圍材料的力學不均勻性。

PATANKAR等[10]研究了兩種不同晶粒尺寸的TC4鈦合金超塑性變形時，提出晶粒細小的鈦合金力學性能明顯優(yōu)異，其結論滿足 Hall-Petch關系。IRISARRI等[11]以及HU 和LIU[12?13]研究TC4 鈦合金電子束焊接的工藝性能時，表明晶粒粗大焊縫金屬的力學性能明顯高于其他區(qū)域的，且焊后焊縫呈現(xiàn)較高的殘余拉應力。CAO 和 IAHAZI[14]以及 AKMAN 等[15]采用Nd:YAG激光器研究TC4鈦合金薄板時，同樣發(fā)現(xiàn)晶粒粗大的焊縫金屬力學性能優(yōu)異。楊靜等[16]研究TC4鈦合金激光焊接接頭的力學性能時，認為焊縫金屬強度較高是由于粗大晶粒內部有大量的針狀馬氏體存在。

本文作者通過對TC4鈦合金激光焊接接頭各區(qū)域進行原位拉伸試驗，從接頭各微區(qū)起裂模式與斷裂行為入手來深入闡述這個現(xiàn)象。

1 實驗

實驗所用材料為軋制態(tài) TC4鈦合金，厚度為mm，其成分如表1所列。利用CO2激光器焊接，激光功率為 2 500 W，離焦量為 0，焊接速度為 1.5 mm/min。在焊縫區(qū)域如圖所示截取原位試樣，試樣厚度為0.4 mm。

表1 TC4鈦合金化學成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy (mass fraction, %)

在Instron 1195型電子拉伸平臺上進行拉伸實驗，利用 JSM?35C掃描電鏡觀察裂紋擴展過程，并進行斷口形貌觀察。試樣所用腐蝕劑為3~5 mL HF，10 mL HNO3和85~87 mL H2O。

試驗應力—應變曲線如圖2所示。從表2列出的實驗結果參數(shù)來看，焊縫的抗拉強度最高，熱影響區(qū)的次之，母材的最低。

2 結果與分析

2.1 焊縫缺口拉伸原位觀察

圖1 原位拉伸取樣位置及試樣尺寸Fig. 1 Notch location for in-situ tensile and specimen size (mm): (a) Notch in base metal; (b) Notch in welded metal; (c) Notch in HAZ

圖2 原位拉伸試驗工程應力—應變曲線Fig. 2 In-situ tensile engineering stress—strain curves

表2 不同區(qū)域原位拉伸試樣的實驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data of in-situ tensile specimen in different areas

TC4鈦合金激光焊接接頭的焊縫區(qū)由馬氏體相組成，平均晶粒尺寸約為200~300 μm。圖3所示為缺口位于焊縫金屬時試樣的斷裂行為。由圖3可見，當應力為538 MPa(見圖3(a))不同晶粒內部皆出現(xiàn)孿晶，而孿晶密度由于取向不一致而有所不同；當應力為 988 MPa時，如圖3(b)所示箭頭區(qū)域由于晶體取向與載荷方向夾角相對較大而孿晶明顯較多。當應力為 1 029 MPa時，從圖3(c)中可以看出，主裂紋已形成，隨著加載的繼續(xù)，主裂紋貫穿前方孔洞，導致焊縫區(qū)域宏觀斷裂。圖3(d)所示為斷口形貌，可看出焊縫區(qū)域斷口呈現(xiàn)準解理型與韌窩型同時存在。

2.2 熱影響區(qū)缺口拉伸原位觀察

熱影響區(qū)組織主要為馬氏體相和α相，由于激光焊接熱影響區(qū)域狹窄，靠近母材區(qū)域一側存在β相。

由圖4的原位拉伸結果可見，當應力為761 MPa時，如圖4(a)所示，缺口前沿局部區(qū)域已出現(xiàn)微裂紋，長度約為2~5 μm，與該區(qū)域晶粒度大小相當，圖中下部區(qū)域有較大微裂紋，沿晶界擴展，上部既有沿晶又有穿晶的較小微裂紋?？梢姡搮^(qū)域低應力狀態(tài)下，微裂紋多發(fā)生于相界或晶界面附近。當應力為 910 MPa時，缺口前沿共出現(xiàn)3個裂紋源，且每個裂紋前方都有一定塑性區(qū)，如圖4(b)和(c)所示?？梢钥闯鲋胁苛鸭y前方存在大量10~40 μm微裂紋，且微裂紋與微裂紋之間相差數(shù)個晶粒大小距離。結合圖4(d)所示斷口形貌可以推斷最后斷裂模式是微裂紋貫穿。

圖3 缺口在焊縫區(qū)試樣的原位拉伸過程Fig. 3 In-situ tensile process of specimens with notch in welded zone: (a) Macro plastically deforming area at 538 MPa; (b) Change of notch tip at 988 MPa; (c) Change of notch tip at 1 029 MPa; (d) Fracture morphology

2.3 母材缺口拉伸原位觀察

TC4鈦合金母材金屬主要為α相和β相，α相易被腐蝕而凹陷呈深色，β相不易被腐蝕呈亮色，該區(qū)域晶粒尺寸約為 1~3 μm，比熱影響區(qū)的晶粒尺寸略小。

由圖5表示的原位觀察結果可見，當應力為540 MPa時，缺口前沿晶粒有協(xié)調變形趨勢。局部區(qū)域已出現(xiàn)孔洞(見圖5(a)和(b))，且多形核于α和β 相界面處，其平均直徑約為1~3 μm，PETERSON等[17]研究提出晶界區(qū)域的損傷行為主要是由于晶界滑移帶來的剪切行為所致。當應力為840 MPa時，缺口前端孔洞群開始聚合，微裂紋已產(chǎn)生，如圖 5(c)所示。由此可見母材區(qū)域在高三向應力狀態(tài)下，其前期損傷模式為缺口前端大量微孔洞的形核與聚合。

圖4 缺口在熱影響區(qū)試樣的原位拉伸過程Fig. 4 In-situ tensile process of specimens with notch in HAZ: (a) Local region of notch tip at 761 MPa; (b) Local region of notch tip at 910 MPa; (c) Local region of notch tip at 910 MPa; (d) Fracture morphology

圖5 缺口在母材區(qū)試樣的原位拉伸過程Fig. 5 In-situ tensile process of specimen with notch in base metal: (a) Macro area of notch tip at 540 MPa; (b) Local area of notch tip at 540 MPa; (c) Local area of notch tip at 840 MPa; (d) Fracture morphology

2.4 焊接接頭不同區(qū)域對比分析與討論

在應力為540 MPa時、應變約為0.019時，母材區(qū)α和β相界面及晶界區(qū)域出現(xiàn)大量孔洞，平均孔徑0.5 μm(對比圖3(a)和圖5(b))，焊縫區(qū)表現(xiàn)為晶粒內部孿晶。從晶界面積角度考慮，母材區(qū)較大。對熱影響區(qū)和母材而言，孔洞半徑和晶界面積大小相當，因而強度相差不大。

從圖2可以看出，當應變小于0.023時，晶粒細小的母材區(qū)所對應應力略微高于焊縫區(qū)的，以協(xié)調變形為主，伴生少量微孔洞出現(xiàn)于晶界區(qū)域。隨著應力不斷增加(應變超過0.023)，缺口前端母材區(qū)相界及晶界區(qū)域微孔洞行核與聚合行為明顯增加，界面損傷開始占據(jù)優(yōu)勢，如圖 5(c)所示。焊縫由于加熱時生成粗大的β相晶體結構，冷卻時冷卻速度較快，原β相晶粒內部完全轉變?yōu)轳R氏體，其室溫強度較高且晶界區(qū)域小，變形機制未發(fā)生改變，表現(xiàn)為較高應力，也有學者研究表明其高溫力學性能依然很好[18]。

應變超過0.023(所對應應力超過800 MPa，見圖2)后，結合接頭各區(qū)域原位實驗結果，接頭各微區(qū)變形機制如圖6所示，焊縫區(qū)域依舊為晶內孿晶與滑移；母材區(qū)轉變?yōu)橄嘟缂熬Ы缑嫖⒖锥葱泻伺c聚合；熱影響區(qū)為兩種變形機制的混合。從而對于整個TC4鈦合金激光焊接接頭，當應變達到一定值時，接頭各區(qū)域變形機制發(fā)生轉變，進而影響各區(qū)域的力學性能。

由原位實驗可以看出，焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)、母材區(qū)域的起裂模式及損傷行為各不相同。在焊縫區(qū)域，裂紋形核于晶內孿晶、滑移線與晶界交匯處，主裂紋形成直至最終斷裂。在熱影響區(qū)域，多裂紋起裂，單一裂紋擴展至最終斷裂。而在母材區(qū)域，微孔洞優(yōu)先形核于兩相界面區(qū)域，缺口前端孔洞群相互貫穿直至斷裂，如圖7所示。

圖6 應變超過0.023時TC4鈦合金激光焊接接頭各區(qū)域變形機制示意圖Fig. 6 Schematic diagram of deformation mechanism in TC4 titanium alloy welded joint for tensioning at strain exceeding of 0.023

圖7 起裂模式隨所在焊接接頭各區(qū)域變化Fig. 7 Variation of crack initiation modes in different zones of welded joints distance from weld centerline

3 結論

1) 采用電鏡拉伸原位觀察法，通過研究 TC4鈦合金激光焊接接頭各微區(qū)力學行為，來解釋其力學不均勻性。TC4鈦合金激光焊接接頭的斷裂強度表現(xiàn)為焊縫的最高，熱影響區(qū)的次之，母材的最低。接頭各區(qū)域起裂模式存在明顯差異，焊縫區(qū)裂紋形核于晶粒內部孿晶、滑移線與晶界交匯處，主裂紋形成直至最終斷裂；在低應力下，熱影響區(qū)微裂紋多形核于晶界面(相界面)處，缺口前端以多裂紋起裂，單一裂紋擴展至最終斷裂；母材區(qū)微孔洞優(yōu)先形核于兩相界面區(qū)域，缺口前端孔洞群相互貫穿直至最終斷裂。

2) 拉伸斷口形貌除焊縫區(qū)域有少量準解理型外，均為韌窩型。當應變超過0.023，母材以協(xié)調變形為主向以界面損傷為主轉化；焊縫區(qū)由于粗大晶粒內部網(wǎng)籃狀馬氏體存在及晶界面積較小，變形機制未發(fā)生改變。

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In-situ investigation on mechanical behavior of laser-welded joint for TC4 titanium alloy

ZHAO Xi-long, SONG Xu, ZHANG Jian-xun
(State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

In order to investigate the effects of microstructures on damage evolution and fracture behavior in laser welded joint for Ti-6Al-4V alloy, the microvoids nucleation, growth, coalescence and crack were observed by in-situ tensile test.The results show that the crack in the weld metal grows rapidly when it nucleates at the twin boundary of the inner grain and the intersection of slip line and grain boundary. The multi-cracks in the heat-affected zone (HAZ) occur in front of the notch, one crack propagation leads to the final fracture. When the strain exceeds 0.023, the deformation mechanism in the base metal and HAZ near the base metal changes from compatible deformation to bluntness and expansion alternately when the microvoid is nucleated firstly along the grain boundary. The deformation mechanism in the welded metal does not change due to its coarse martensite and small grain boundary. Therefore, the tensile stress in the welded metal is higher than that in the other areas.

TC4 titanium alloy; laser welded joint; in-situ method

1004-0609(2012)02-0388-06

TG 456.7

A

國家自然科學基金資助項目(50875200)；教育部博士點基金資助項目(20100201110065)

2011-03-09；

2011-12-20

張建勛，教授，博士；電話：029-82668807；傳真：029-82668807；E-mail: jxzhang@mail.xjtu.edu.cn

(編輯 龍懷中)