TC17鈦合金在TIG焊接方法下的焊接性研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 李冬杰 萬曉慧 李曉紅 郭德倫

目前，航空用輕質(zhì)材料主要有鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料[1]等，而鈦合金是發(fā)動(dòng)機(jī)部件的主要材料。其中，TC17鈦合金的名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr，因富含β相穩(wěn)定元素Mo、Cr，該合金具有良好的淬透性和較寬泛的鍛造溫度；同時(shí)該合金含有較多的固溶強(qiáng)化元素Sn、Zr，通過固溶處理可以獲得良好的機(jī)械性能；通過合理的熱處理制度，該合金可獲得含有片層結(jié)構(gòu)的α+β雙態(tài)組織，具有良好的斷裂韌性，能夠滿足損傷容限設(shè)計(jì)的需要。TC17鈦合金被廣泛用來制造航空部件，特別適用于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤件的制造[2-3]。

TC17鈦合金具有良好的淬透性，適用于大部分的焊接方法進(jìn)行制造，其焊接性成為設(shè)計(jì)人員使用TC17材料的重要參考性能。焊接性的優(yōu)劣，決定了缺陷在焊接過程中對于焊接工藝參數(shù)是否敏感和不同工藝適用的范圍是否寬泛[4-5]。鈦合金在焊接過程常見的缺陷形式是脆化、氣孔和裂紋，與焊前清理、焊接過程的保護(hù)和焊接工藝參數(shù)相關(guān)；焊接熱輸入等工藝參數(shù)和焊接缺陷直接影響焊接接頭的性能。本文針對TC17鈦合金，利用TIG焊（Tungsten Inert Gas Welding）研究焊接接頭不同位置的缺陷和組織狀態(tài)以及接頭的性能特點(diǎn)，并通過焊前涂覆活性劑、焊后熱處理的正交試驗(yàn)，進(jìn)行TC17鈦合金在TIG焊接方法下焊接性的探索。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用TC17鈦合金母材采用α+β兩相區(qū)鍛造，其掃描電鏡（SEM）照片如圖1所示。母材組織為初生α相（圖1中灰色圓塊狀組織）+β轉(zhuǎn)變組織（圖1中白色組織，由層片狀次生α相+保留β相組成），母材的室溫抗拉強(qiáng)度為1200MPa，400℃抗拉強(qiáng)度為905MPa。焊接試板為2mm×86mm×140mm的長方形試件，進(jìn)行不開坡口對接焊。為增加焊接接頭塑性，焊絲選用直徑1mm的TA2焊絲，焊絲要求嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量，其中氧≤0.20%、氮≤0.05%、氫≤0.012%、碳≤0.05%。

圖1 TC17鈦合金母材微觀組織Fig.1 Microstructure of TC17 titanium alloy base metal

焊接準(zhǔn)備過程為：（1）焊前清理，將待焊試件放入超聲清洗機(jī)中，加入水+金屬清洗劑去除表面油污；（2）酸洗，將試件和焊絲放入HF和HNO3混合酸液中，浸蝕3min后取出，用冷水沖洗；（3）烘干，將試件及焊絲放入烘箱中烘干，并保證在120h內(nèi)完成焊接；（4）焊前準(zhǔn)備，焊前用刮刀將試板待焊端面毛刺去除，用無水乙醇擦拭試件焊接區(qū)表面。

焊接選用傳統(tǒng)TIG焊接和活性劑TIG焊接2種方法，焊接方法為脈沖TIG焊，脈沖頻率f=8Hz，占空比50%。其中，活性焊劑選用FT-01[6]，使用前對活性焊劑進(jìn)行烘干處理，將焊劑平鋪于不銹鋼托盤后置于150℃烘箱中烘干3h，焊前均勻涂覆于待焊試件端面位置。焊后選擇每種工藝的1/2焊接試板進(jìn)行熱處理，熱處理工藝為：升溫至630℃，保溫1.5h，隨爐冷卻。表1所示為4組試驗(yàn)方法。

焊后對焊接試板進(jìn)行X射線無損檢測，焊縫內(nèi)部質(zhì)量均符合HB5376-1987標(biāo)準(zhǔn)的I級焊縫要求。將4種工藝得到的試板按Q/6S977-2004加工成室溫、高溫拉伸試樣和持久試樣，保證焊縫位于平行段中間位置。高溫拉伸、高溫持久試驗(yàn)的溫度為400℃，按設(shè)計(jì)要求選擇持久強(qiáng)度為685MPa（＞100h）。取4組工藝試驗(yàn)的試板焊縫位置制成金相試樣，制樣過程依次為切割、研磨、拋光、柯爾試劑（100mL H2O+2mL HF+5mL HNO3）腐蝕，利用光學(xué)顯微鏡對金相試樣進(jìn)行觀察，并對焊縫不同區(qū)域進(jìn)行硬度測試。利用掃描電鏡進(jìn)行接頭微觀組織觀察和成分分析，并進(jìn)行室溫拉伸斷口形貌觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭組織分析

圖2為TC17鈦合金TIG焊接接頭金相照片（圖2（a）、（b））和掃描電鏡照片（圖 2（c））。圖 2（a）所示為傳統(tǒng)TIG焊接焊后熔合線位置金相照片，焊縫在熔合線位置產(chǎn)生氣孔缺陷，氣孔直徑不超過200μm。較小的氣孔不能被X射線檢測出來，焊縫質(zhì)量符合HB5376-1987規(guī)定的I級焊縫要求。圖2（b）所示為熱影響區(qū)晶粒形貌，熱影響區(qū)晶粒較大，晶界形貌明顯，晶粒內(nèi)部組織不明顯，但可見暗色、交錯(cuò)分布的細(xì)小板條狀形貌，結(jié)合TC17鈦合金含有較高的β相穩(wěn)定元素的特征，熱影響區(qū)組織為β轉(zhuǎn)變組織（斜方馬氏體α''相+保留β相），部分晶粒尺寸超過200μm。圖2（c）所示為焊縫組織的掃描電鏡照片，可見細(xì)小的針狀組織形貌，組織為斜方馬氏體α''相+保留β相。

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)

圖2 TIG焊接接頭形貌Fig.2 Morphology of TIG weld joint

斜方馬氏體α''相被認(rèn)為是含β相穩(wěn)定元素較多的鈦合金軟化的原因，在300～700℃時(shí)效過程中α''相的分解次序遵循α''→α''+α→α+β的規(guī)律，利用斜方馬氏體的逆轉(zhuǎn)變，通過均勻地析出細(xì)小的次生α相和納米級彌散分布的β相可使合金具有明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果[7]。

表2所示為活性劑TIG焊接接頭熱處理前后硬度分布情況的統(tǒng)計(jì)。熱影響區(qū)和焊縫硬度在焊后均有所下降，在熱處理后焊縫硬度升高80HV，熱影響區(qū)升高136HV，這兩個(gè)區(qū)域在熱處理后均得到強(qiáng)化。

圖3所示為傳統(tǒng)TIG焊接和活性劑TIG焊接焊后焊縫形貌。圖（3a）所示為傳統(tǒng)TIG焊接焊后焊縫形貌，圖中紅圈位置所示為焊接接頭的氣孔，位于焊縫靠近熔合線的位置；圖中箭頭所示為焊縫區(qū)域柱狀晶形貌，可見柱狀晶沿垂直于熔合線方向生長，熔合線方向與母材呈較大的角度。未添加活性劑時(shí)，焊縫深度和寬度之比（深寬比）為0.24，焊縫區(qū)域呈現(xiàn)淺寬型，且焊接接頭底部熱影響區(qū)寬度較大，上部熱影響區(qū)寬度較小。

表2 焊接接頭硬度（HV）測試結(jié)果

圖3 焊接接頭形貌Fig.3 Morphology of weld joints

圖3（b）所示為添加活性劑的TIG焊接焊后焊縫形貌。活性劑能夠改善熔池對流形式，使電弧向熔池過渡的熱量更多地由熔池表面向底部傳輸，減少了熔池表面寬度，深寬比達(dá)到0.44。由表1可以看出，活性劑TIG焊接時(shí)，基值電流和峰值電流均小于傳統(tǒng)TIG焊接，焊接熱輸入降低，焊接效率增加。熔合線方向與母材厚度方向之間的角度較小，焊縫柱狀晶由熔合線向焊縫中心垂直生長，柱狀晶與母材水平方向之間近似平行，如圖3（b）箭頭所示。焊接熱影響區(qū)晶粒有長大趨勢，并且熱影響區(qū)寬度在接頭上部和下部基本相同。使用2種焊接方法時(shí)，焊接接頭氣孔數(shù)量均較少，證明通過焊前清理和焊接過程惰性氣體保護(hù)，可以有效避免焊接接頭產(chǎn)生氣孔[8]。

2.2 焊接接頭力學(xué)性能分析

表3為室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)給出了拉伸斷裂位置。焊后焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的85%以上，顯示TC17鈦合金焊后具有良好的拉伸性能。熱處理后焊縫、熱影響區(qū)得到強(qiáng)化，接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的90%以上。

表3 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4所示為4組試驗(yàn)后的拉伸斷口形貌。圖4（ a）、（b）所示為焊后未進(jìn)行熱處理的焊接接頭拉伸斷口形貌，為混合型斷口，表面起伏較大，斷口韌窩區(qū)面積大于準(zhǔn)解理斷裂區(qū)，顯示斷口具有一定的韌性。圖5（a）所示是2#試樣的局部放大照片，可見較淺的韌窩形貌，整體輪廓顯示晶粒形貌，晶粒尺寸符合熱影響區(qū)晶粒特征。

圖4（c）所示為焊接過程未使用活性劑，焊后進(jìn)行熱處理的焊接接頭拉伸斷口形貌，斷裂位置為母材，斷口全部為韌窩形貌，呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。圖4（ d）為焊接過程使用活性劑，焊后進(jìn)行熱處理的焊接接頭拉伸斷口形貌，可見沿晶斷裂特征，結(jié)合圖5（b）的局部放大圖片，可見沿晶界斷裂為光滑的表面，沿晶粒內(nèi)部斷裂則具有一定的韌窩形貌，晶粒內(nèi)部韌性好于晶界。

表4統(tǒng)計(jì)了熱處理前后焊縫位置晶界、晶粒內(nèi)部各合金元素含量的分析結(jié)果。TA2純鈦焊絲的添加，并未對焊縫原有成分造成明顯的稀釋，焊縫的合金成分仍在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。熱處理前后晶界、晶粒內(nèi)部的Al、Cr、Mo元素變化不大；熱處理后晶粒內(nèi)部的Sn、Zr元素含量略有增加，晶界的Sn、Zr元素有所減少。Sn、Zr屬于中性元素，在α-Ti和β-Ti中都有較大的溶解度，對鈦合金有顯著的強(qiáng)化作用[9]。熱處理過程使Sn、Zr元素由焊縫的晶界位置向晶粒內(nèi)擴(kuò)散，對晶粒內(nèi)部起到了固溶強(qiáng)化的作用，而晶界位置相對于熱處理前強(qiáng)度下降。結(jié)合圖3（b）焊縫柱狀晶形貌特征，柱狀晶平行于拉伸應(yīng)力方向，因此受到拉伸正應(yīng)力作用，裂紋容易沿柱狀晶之間產(chǎn)生并擴(kuò)展，最終形成沿晶斷裂的形貌特征。

表5為熱處理后的焊接接頭高溫拉伸和高溫持久試驗(yàn)結(jié)果，表明焊接接頭經(jīng)熱處理后，400℃抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的95%以上，并且持久強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。無論焊前是否涂覆活性劑，焊后熱處理均可以顯著強(qiáng)化焊接接頭，使焊接接頭滿足使用要求。因此，TC17鈦合金對TIG焊接方法具有良好的適應(yīng)性，顯示出這種合金具有良好的焊接性。

3 結(jié)論

（1）TC17鈦合金TIG焊接接頭存在明顯的3個(gè)區(qū)域，即焊縫、熔合線和熱影響區(qū)。焊縫區(qū)柱狀晶特點(diǎn)明顯并沿垂直于熔合線的方向生長，熱影響區(qū)晶粒較大；焊接接頭組織較母材有軟化的傾向。

表4 熱處理前后焊縫元素含量分析%

表5 400℃拉伸和持久試驗(yàn)結(jié)果

（2）焊前涂覆活性劑可以減少焊接接頭氣孔的產(chǎn)生，活性劑TIG焊接和傳統(tǒng)TIG焊接均可以獲得符合HB5376-1987標(biāo)準(zhǔn)的I級焊縫。焊后熱處理能夠改善焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶體組織，使焊接接頭硬度大幅提高。

（3）焊后焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的85%以上，熱處理后接頭強(qiáng)度可達(dá)母材的90%以上；熱處理后的焊接接頭高溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到母材95%以上，并且持久性能滿足設(shè)計(jì)需求，顯示出TC17鈦合金具有良好的焊接性。

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