置氫TC4鈦合金線性摩擦焊接頭組織

劉鵬濤，趙秀娟，張?zhí)飩}(cāng)，侯紅亮，任瑞銘

(1. 大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116028；2. 北京航空制造工程研究所，北京 100024)

置氫TC4鈦合金線性摩擦焊接頭組織

劉鵬濤1，趙秀娟1，張?zhí)飩}(cāng)2，侯紅亮2，任瑞銘1

(1. 大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，大連 116028；2. 北京航空制造工程研究所，北京 100024)

采用線性摩擦焊技術(shù)對(duì)置氫TC4鈦合金進(jìn)行了焊接。利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡等對(duì)不同氫含量試樣接頭各區(qū)的顯微組織進(jìn)行分析，并探討氫致鈦合金高溫塑性的微觀機(jī)理。結(jié)果表明：置氫鈦合金試樣接頭的焊縫寬度比未置氫試樣的明顯減??；隨著氫含量的增加，試樣母材和熱力影響區(qū)組織中β相的含量增加；氫使得鈦合金試樣焊縫附近的位錯(cuò)密度降低，說(shuō)明氫促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；置氫鈦合金接頭組織中層錯(cuò)和孿晶的數(shù)量明顯增加；在氫含量為0.4%和0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的TC4鈦合金接頭組織中發(fā)現(xiàn)了面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)的片狀氫化物δ。氫主要是通過(guò)改變鈦合金中的兩相比例，促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等機(jī)制來(lái)增強(qiáng)鈦合金的高溫塑性，從而改善線性摩擦焊的連接性能。

鈦合金；氫；線性摩擦焊；顯微組織

線性摩擦焊(Linear friction welding，LFW)是一種新型的固相連接技術(shù)，其工作原理是：利用兩工件在壓力作用下的線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱，當(dāng)摩擦界面金屬溫度升高到粘塑性狀態(tài)后施加頂鍛力，通過(guò)焊合區(qū)金屬的相互擴(kuò)散與再結(jié)晶使兩側(cè)工件牢固焊接在一起[1]。線性摩擦焊技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)材和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤制造和維修的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[2]。鈦合金是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)理想的結(jié)構(gòu)材料，具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好和耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于制造壓氣機(jī)和風(fēng)扇的盤件、葉片和機(jī)匣等零件。鈦合金材料的熱傳導(dǎo)率低、熱容量小，在進(jìn)行摩擦焊時(shí)，鈦合金材料的摩擦產(chǎn)熱效率高，熱量不易散失，因此，鈦合金是非常適合線性摩擦焊連接加工的。但是鈦合金線性摩擦焊技術(shù)也存在問(wèn)題：線性摩擦焊的焊機(jī)噸位大，設(shè)備制造復(fù)雜，造成前提投資巨大。目前鈦合金線性摩擦焊技術(shù)僅局限于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的制造和維修，在其他方面的應(yīng)用還很少。

近年來(lái)，鈦合金的氫處理是一個(gè)比較活躍的研究領(lǐng)域，鈦合金熱氫處理技術(shù)是把氫作為一種臨時(shí)合金化元素，從材料內(nèi)部本質(zhì)角度出發(fā)，通過(guò)改變鈦合金的內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低鈦合金變形抗力和成形溫度的目的[3?4]。應(yīng)用這一技術(shù)可以充分發(fā)揮鈦合金材料的加工性能，減少鈦合金部件的加工制造成本，降低材料對(duì)設(shè)備成型能力的要求。近幾年來(lái)，置氫鈦合金連接方面的研究受到了廣泛關(guān)注[5?11]，但關(guān)于線性摩擦焊的研究還鮮見(jiàn)有報(bào)道。因此，本文作者對(duì)置氫TC4鈦合金進(jìn)行了線性摩擦焊連接試驗(yàn)，分析氫含量對(duì)接頭各區(qū)顯微組織的影響，探討氫的微觀作用機(jī)理，為鈦合金線性摩擦焊工藝參數(shù)優(yōu)化與線性摩擦焊新技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料選用12 mm厚的TC4鈦合金板材，材料的主要化學(xué)成分如表1所列。采用線切割和精磨的方法制成尺寸為60 mm×50 mm×12 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體試樣。試樣采用高溫氣相充氫法置氫，在管式氫處理爐中加熱到750 ℃充氫，保溫4 h，然后空冷至室溫。通過(guò)調(diào)節(jié)置氫時(shí)間和平衡氫分壓來(lái)控制置氫量，試樣中的實(shí)際氫含量由稱重法測(cè)得。置氫后獲得4組試樣，其氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0.2%、0.4%、0.6%和0.8%。線性摩擦焊試驗(yàn)在大型電液伺服線性摩擦焊機(jī)(LFW?20T)上進(jìn)行，采用的焊接工藝參數(shù)如表2所列。采用 OLYMPUS BX41M 光學(xué)顯微鏡和JSM?6360LV型掃描電鏡觀察置氫TC4鈦合金線性摩擦焊接頭各區(qū)組織，并采用H?800型透射電鏡分析接頭的亞結(jié)構(gòu)和氫化物。

表1 TC4鈦合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy (mass fraction, %)

表2 線性摩擦焊工藝參數(shù)Table 2 Linear friction welding (LFW) parameters used in this study

2 結(jié)果與討論

2.1 氫對(duì)焊縫寬度的影響

在線性摩擦焊過(guò)程中，熱與力始終耦合作用于摩擦焊界面及近區(qū)的金屬，因此，在對(duì)線性摩擦焊接頭組織進(jìn)行分析時(shí)，可以將接頭劃分為焊縫區(qū)(W)、熱力影響區(qū)(TMAZ)和母材區(qū)(BM)這3個(gè)區(qū)域[2,12]。在選定的工藝參數(shù)條件下，未置氫TC4鈦合金線性摩擦焊接頭的焊縫形貌如圖 1(a)所示。由圖 1(a)可見(jiàn)，試樣的焊接界面完全結(jié)合，未發(fā)現(xiàn)有氣孔和夾雜等缺陷。定義線性摩擦焊接頭的焊縫寬度為焊縫區(qū)+兩邊熱力影響區(qū)的寬度。測(cè)量得出未置氫試樣接頭的焊縫寬度約為2 mm。圖1(b)所示為氫含量0.4%的鈦合金試樣線性摩擦焊接頭形貌。由圖1(b)可見(jiàn)，置氫試樣的焊接界面同樣結(jié)合完整，但是焊縫寬度明顯減小。置氫0.4%的鈦合金試樣接頭的焊縫寬度約減小到未置氫鈦合金的一半。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)各種氫含量試樣接頭的焊縫寬度進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果如表3所列。由表3可見(jiàn)，隨著氫含量的增加，試樣接頭的焊縫寬度先減小后又稍微增加，但所有置氫試樣的焊縫寬度均小于未置氫試樣的。當(dāng)氫含量達(dá)到0.8%及以上時(shí)，鈦合金的氫脆現(xiàn)象嚴(yán)重，試樣在高頻往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中易發(fā)生脆斷，所以氫含量不宜過(guò)高。

2.2 氫對(duì)接頭各區(qū)組織的影響2.2.1 母材區(qū)

圖1 不同氫含量TC4鈦合金LFW接頭焊縫的形貌Fig. 1 Morphologies of weld bead of TC4 LFW joints with different hydrogen contents: (a) Non-hydrogenated; (b)Hydrogen content of 0.4%

表3 氫含量對(duì)TC4鈦合金LFW接頭的焊縫寬度的影響Table 3 Effect of hydrogen content on weld width of TC4 LFW joints

未置氫試樣的母材組織為雙態(tài)組織，即在β轉(zhuǎn)變組織的基體上分布大塊的初生α相，如圖2(a)所示，其中α相為亮色，β相為暗色。由圖2(a)可以看出，初生α相含量約占 50%。置氫 0.2%試樣的母材組織變化不大，只是α和β兩相的顏色趨于一致，相界變得模糊不清(見(jiàn)圖2(b))。當(dāng)氫含量增大到0.4%，試樣母材組織中α相和β相的光學(xué)襯度發(fā)生了互換，初生α相由亮色轉(zhuǎn)變?yōu)榘瞪孪鄤t恰好相反(見(jiàn)圖2(c))。這是由于氫的加入改變了兩相的化學(xué)電勢(shì)，使得原來(lái)易腐蝕的相轉(zhuǎn)變?yōu)榱瞬灰赘g的相，所以兩相顏色發(fā)生了互換[13]。從圖2(c)中還可以看出，置氫后鈦合金的兩相比例發(fā)生了變化，β相所占的比例明顯增加，初生α相的尺寸減小，在光鏡下觀察不到次生α相。隨著氫含量增大到0.6%，母材中β相的含量繼續(xù)增大，α相含量相對(duì)減少并細(xì)化，主要分布于β相邊界處，如圖2(d)所示。

2.2.2 熱力影響區(qū)

圖2 不同氫含量TC4鈦合金LFW接頭母材區(qū)的顯微組織Fig. 2 Microstructures of base metal zone of TC4 LFW joints with different hydrogen contents: (a) Non-hydrogenated; (b) 0.2%H;(c) 0.4%H; (d) 0.6%H

在熱力影響區(qū)，由于受到高溫和摩擦力的作用，該區(qū)域中金屬發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形和流動(dòng)。圖 3(a)所示為未置氫試樣接頭熱力影響區(qū)的組織形貌。由圖3(a)可見(jiàn)，未置氫試樣接頭的熱力影響組織變形嚴(yán)重，可觀察到明顯的金屬流線，初生α相被拉長(zhǎng)成條狀，并且由于焊接過(guò)程中經(jīng)歷了“擠壓—揉合—撕裂”作用，部分晶粒發(fā)生破碎。置氫0.2%的試樣，此區(qū)域的組織形貌變化不明顯。當(dāng)氫含量增大到0.4%時(shí)，可觀察到初生 α相的含量明顯減少并細(xì)化，相對(duì)而言，β轉(zhuǎn)變組織的含量增多，其中的層片結(jié)構(gòu)也更加粗大，如圖3(b)所示。當(dāng)氫含量增大到0.6%時(shí)，此區(qū)域中α相變得更加細(xì)小，β相含量繼續(xù)增多。

圖3 不同氫含量TC4鈦合金LFW接頭熱力影響區(qū)的顯微組織Fig. 3 Microstructures of TMAZ of TC4 LFW joints with different hydrogen contents: (a) Non-hydrogenated; (b) 0.4%H

2.2.3 焊縫區(qū)

由于鈦合金試樣焊縫區(qū)的組織很細(xì)小，耐腐蝕，在光鏡下不易觀察。圖4所示為焊縫區(qū)的SEM像。由圖4可見(jiàn)，未置氫試樣焊縫區(qū)主要為細(xì)小的針狀馬氏體組織(見(jiàn)圖4(a))。這是由于在線性摩擦焊過(guò)程中，焊縫金屬加熱到的最高溫度超過(guò)了鈦合金的α/β相轉(zhuǎn)變溫度[12]，焊縫區(qū)組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪啵?dāng)頂鍛階段結(jié)束后空冷下來(lái)，焊縫區(qū)生成了細(xì)針狀馬氏體。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，光鏡下焊縫區(qū)的一些耐腐蝕的白亮區(qū)域?qū)嶋H為晶粒非常細(xì)小的再結(jié)晶組織。氫對(duì)焊縫區(qū)的組織形貌影響不大，置氫試樣焊縫區(qū)仍主要為針狀馬氏體組織，只是馬氏體針更加粗大，且不同氫含量試樣之間差別不大，如圖4(b)所示。

圖 4 不同氫含量 TC4鈦合金試樣 LFW 接頭的焊縫區(qū)的SEM像Fig. 4 SEM images of weld bead of TC4 LFW joints with different hydrogen contents: (a) Non-hydrogenated; (b) 0.4%H

2.3 亞結(jié)構(gòu)和氫化物分析

采用透射電鏡(TEM)對(duì)不同氫含量試樣接頭組織中的亞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。未置氫試樣接頭的焊縫區(qū)位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的TEM像如圖5(a)所示。由圖5(a)可以看出，焊縫附近的位錯(cuò)密度很高，大量位錯(cuò)塞集在晶界處或在晶粒內(nèi)部相互糾結(jié)。圖5(b)所示為置氫0.4%試樣接頭的焊縫區(qū)的TEM像。由圖5(b)可見(jiàn)，置氫試樣焊縫的位錯(cuò)密度明顯降低。由大量觀察結(jié)果得出，置氫降低了TC4線性摩擦焊接頭組織中的位錯(cuò)密度。這是由于氫在鈦合金中具有較好的可移動(dòng)性，占據(jù)大量的空位，降低其他溶質(zhì)元素對(duì)位錯(cuò)的釘扎，促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使得鈦合金中位錯(cuò)密度降低。另外，在置氫試樣接頭組織中發(fā)現(xiàn)了大量的層錯(cuò)和孿晶，分別如圖 6(a)和(b)所示，說(shuō)明氫降低了鈦合金的層錯(cuò)能，并促進(jìn)了孿晶的產(chǎn)生。

圖5 不同氫含量TC4鈦合金LFW接頭的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)Fig. 5 Dislocation structures of TC4 LFW joints with different hydrogen contents: (a) Non-hydrogenated; (b) 0.4%H

圖6 氫含量0.4%的TC4鈦合金LFW接頭的焊縫區(qū)的組織形貌Fig. 6 Microstructures of TC4 LFW joints containing 0.4%hydrogen: (a) Faults; (b) Twins

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，TC4鈦合金中的氫含量大于0.2%時(shí)，將析出氫化物。在本研究中，采用 TEM 的選區(qū)電子衍射技術(shù)對(duì)置氫試樣接頭組織中的氫化物進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在氫含量 0.4%和 0.6%的試樣接頭組織中都發(fā)現(xiàn)了氫化物，且氫化物不僅可以從密排六方α相中析出，還可以從體心立方β相中析出。圖7所示為氫含量 0.6%的試樣中觀察到的片狀氫化物形貌，由相應(yīng)的SAED衍射譜(見(jiàn)圖10(c))可以確定為面心立方結(jié)構(gòu)的氫化物 δ，其化學(xué)成分在 TiH1.5~TiH1.99之間，晶格常數(shù)a=0.444 nm。由圖7可以看出，氫化物δ和α交替呈片狀分布，屬于由βH共析轉(zhuǎn)變生成δ和α相。

圖7 氫含量0.6%的TC4鈦合金內(nèi)形成的δ氫化物形貌及SAED衍射譜Fig. 7 Microstructures and corresponding SAED patterns of δ hydride formed in TC4 alloy containing 0.6% hydrogen: (a)Bright field image; (b) Dark field image; (c) SAED pattern of hydride

2.4 分析與討論

由試樣焊縫寬度的觀測(cè)結(jié)果可知，在相同的焊接工藝參數(shù)條件下，置氫鈦合金試樣接頭的焊縫寬度減小。這說(shuō)明氫增加了鈦合金的高溫塑性和流動(dòng)性，使得焊接過(guò)程中更多的高溫變形金屬?gòu)暮附咏缑鏀D出形成飛邊，留下形成焊縫的金屬相對(duì)減少，所以焊縫寬度減小。眾所周知，窄焊縫寬度有助于減少焊接缺陷和提高接頭的力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)置氫試樣接頭微觀組織的觀察，本文作者從以下幾個(gè)方面探討氫改善鈦合金線性摩擦焊連接性能的微觀作用機(jī)理：1) 氫使得鈦合金母材區(qū)和熱力影響區(qū)組織中的β相含量增加。由于β相屬體心立方結(jié)構(gòu)，比密排六方的α相有更多的滑移系，易于發(fā)生塑性變形，從而能夠提高合金的高溫塑性。但當(dāng)氫含量過(guò)高時(shí)會(huì)造成β相的粗化，粗大β相的增多將使晶界面積減少，不利于晶界滑移和晶界遷移，材料的均勻變形能力下降。同時(shí)，氫化物的存在及增多有強(qiáng)化合金的作用，從而增大變形抗力，降低塑性。所以，只有合適的氫含量，使得鈦合金具有合適的兩相比例，一方面α相阻礙β晶粒長(zhǎng)大，另一方面β相又具有良好的流動(dòng)性，才能達(dá)到改善鈦合金高溫塑性的目的。在本研究中，隨著氫含量增加試樣接頭的焊縫寬度先減小后增加的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)。2) 由接頭組織中亞結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果可知，置氫試樣焊縫附近的位錯(cuò)密度降低，說(shuō)明氫促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使更多的位錯(cuò)參與滑移，甚至是攀移，這有利于線性摩擦焊過(guò)程中鈦合金的高溫塑性變形。且在置氫鈦合金接頭組織中發(fā)現(xiàn)了大量層錯(cuò)，說(shuō)明氫降低了鈦合金的層錯(cuò)能。層錯(cuò)能的降低使得孿晶容易產(chǎn)生，在置氫試樣接頭組織中發(fā)現(xiàn)了大量的孿晶，孿晶具有協(xié)調(diào)塑性變形的作用，同樣能夠降低鈦合金的流變抗力。3) 由“動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的位錯(cuò)行為理論”可知[15]，氫能促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，因而也能促進(jìn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。當(dāng)軟化機(jī)制為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)，氫的加入能顯著降低鈦合金高溫變形時(shí)的流變應(yīng)力[16]。而且，焊合區(qū)的金屬在焊接過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶對(duì)于焊接界面的結(jié)合是非常有利的。

3 結(jié)論

1) 置氫鈦合金試樣接頭的焊縫寬度比未置氫試樣的明顯減小。當(dāng)氫含量≤0.4%時(shí)，焊縫寬度逐漸減??；當(dāng)氫含量為0.6%時(shí)，焊縫寬度反而略有增加，但仍小于未置氫試樣的。

2) 隨著氫含量的增加，鈦合金試樣母材區(qū)和熱力影響區(qū)組織中β相的含量增加，初生α相的含量相對(duì)較少并細(xì)化。各種氫含量試樣接頭的焊縫區(qū)組織均為針狀馬氏體組織，只是置氫試樣中的馬氏體針更加粗大。

3) 氫使得鈦合金試樣焊縫附近的位錯(cuò)密度降低，說(shuō)明氫促進(jìn)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。置氫鈦合金試樣接頭組織中的層錯(cuò)和孿晶數(shù)量明顯增加。在置氫 0.4%和 0.6%的TC4鈦合金試樣接頭組織中發(fā)現(xiàn)了 FCC結(jié)構(gòu)的片狀氫化物δ。

4) 氫主要通過(guò)改變鈦合金中的兩相比例，促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶等機(jī)制來(lái)增強(qiáng)鈦合金的高溫塑性，從而改善鈦合金的線性摩擦焊連接性能。

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Microstructure of linear friction welded joints of hydrogenated TC4 titanium alloy

LIU Peng-tao1, ZHAO Xiu-juan1, ZHANG Tian-cang2, HOU Hong-liang2, REN Rui-ming1
(1. College of Materials Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China;2. Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China)

The linear friction welding of hydrogenated TC4 titanium alloy was carried out, and the microstructures in different zones of joints were investigated by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The micro mechanism of improving high temperature plasticity of titanium alloy induced by hydrogen was also analyzed. The results show that the weld width of hydrogenated specimen decreases evidently compared with that of the non-hydrogenated one. The β phase fraction of the base metal and thermomechanically affected zone (TMAZ) increases with the increase of hydrogen content. The dislocation density near the weld bead of the joint is decreased by hydrogen, which shows that the dislocation motion is promoted by hydrogen.The amounts of faults and twins increase significantly in the joint of hydrogenated alloy. There are δ titanium hydride(FCC structure) plates precipitated in the joints containing hydrogen 0.4% and 0.6% (mass fraction). The high temperature plasticity of titanium alloy is enhanced by hydrogen mainly through mechanisms as: changing phase proportion of α and β, promoting dislocation movement and dynamic recrystallization, inducing twin in alloy. As a result,the linear friction welding performance is improved by hydrogenation.

titanium alloy; hydrogen; linear friction welding; microstructure

TG453

A

1004-0609(2012)02-0394-07

國(guó)家安全重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目

2011-03-16；

2011-05-22

趙秀娟，教授，博士；電話：0411-84106863；E-mail: zhaoxj@djtn.edu.cn

(編輯 龍懷中)