TC4鈦合金電子束焊接頭微觀組織結(jié)構(gòu)和演變分析

北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院

北京航空制造工程研究所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 鄧云華 關(guān) 橋

空軍駐北京地區(qū)軍代表 史一寧

北京工業(yè)大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)與性能研究所 郭振璽

民用和軍用領(lǐng)域?qū)娇昭b備的高能源利用效率、高性能、長(zhǎng)壽命和高可靠性的要求越來(lái)越高，除了選擇鈦合金等輕質(zhì)高效材料之外，采用焊接/連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體化制造是當(dāng)今航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)減重增效設(shè)計(jì)的新方向和技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)[1-3]，其中，以電子束為代表的高能束流焊接方法因?yàn)槠涔β拭芏雀?，與氬弧焊等熔化焊相比能獲得大熔深、小變形、輕量化、高精度的焊接接頭，成為當(dāng)前航空結(jié)構(gòu)高質(zhì)量連接的先進(jìn)有效的方法[4-5]。

由于鈦合金自身的組織轉(zhuǎn)變特點(diǎn)和電子束焊接過(guò)程中的局部快速熱循環(huán)作用，焊接區(qū)域產(chǎn)生強(qiáng)烈的組織不均勻性，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了較多的研究。吳新強(qiáng)[6]分析了TC4合金電子束焊接接頭的組織，結(jié)果表明，焊縫組織為針狀或網(wǎng)籃狀的α’馬氏體，熱影響區(qū)為α相和α’相兩相共存或α相、β相和α’相3相共存的組織狀態(tài)。Saresh等[7]對(duì)厚17.5mm TC4合金電子束焊接接頭的組織進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)母材到焊縫區(qū)顯微組織從等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罱M織。Balasubramanian等[8]的研究結(jié)果表明，TC4電子束焊接接頭焊縫與熱影響區(qū)形成硬脆的針狀馬氏體，使該區(qū)域顯微硬度高于母材，接頭沖擊韌性低于母材。已有研究工作主要集中于對(duì)接頭不同區(qū)域組織的觀察和識(shí)別。本文在此基礎(chǔ)上，通過(guò)OM、SEM、EDS和EBSD相結(jié)合，進(jìn)一步詳細(xì)分析了不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)特征，并對(duì)不同區(qū)域微觀組織結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行了深入分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為厚5 mm的TC 4鈦合金，焊件尺寸120mm×120mm。名義化學(xué)成分為5.5%～6.8%的元素Al，3.5%～4.5%的元素V，雜質(zhì)元素Fe≤0.3%，O≤0.2%，C≤0.1，N≤0.05%，H≤0.015以及余量元素Ti。焊接前酸洗去除表面油脂及氧化物等污染物，酸洗液成分為：HF∶HNO3∶H2O=5∶20∶75。

利用ZD150-15MH CV3M真空電子束焊機(jī)進(jìn)行TC4鈦合金剛性拘束熱自壓連接試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

電子束焊接后，機(jī)加工切取焊接接頭斷面試樣，并對(duì)其進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕處理，腐蝕液成分為：HF∶HNO3∶H2O = 5∶10∶85，制備金相試樣。利用Leica DM6000M光學(xué)顯微鏡（OM）和QUANTA 250FEG 掃描電鏡（SEM）對(duì)連接接頭的宏微觀組織特征進(jìn)行觀察，利用能譜分析儀（EDS）對(duì)典型微觀組織結(jié)構(gòu)的化學(xué)成分進(jìn)行分析，利用背散射電子衍射方法（EBSD）對(duì)接頭不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)特征和演變特點(diǎn)進(jìn)行分析。

表1 電子束焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭微觀組織結(jié)構(gòu)特征

5mm厚TC4合金電子束焊接接頭的光學(xué)顯微鏡宏觀照片如圖1所示，可以看出，電子束焊接完成后，接頭組織發(fā)生了顯著改變，接頭由焊縫、熱影響區(qū)和母材3個(gè)部分組成。因電子束焊接過(guò)程冷卻速度快，焊縫區(qū)出現(xiàn)典型的因液態(tài)金屬定向散熱而形成的柱狀晶組織。

進(jìn)一步使用SEM對(duì)接頭不同區(qū)域的微觀組織進(jìn)行了觀察，掃描電鏡照片結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，母材組織由灰色組織A和白色顆粒狀B組成。熱影響區(qū)組織較復(fù)雜，且熱影響區(qū)靠近母材側(cè)和靠近焊縫側(cè)的組織不相同，可以分為2個(gè)區(qū)域?？拷覆膫?cè)熱影響區(qū)由灰色組織C、白色顆粒D、灰色塊狀E和針狀F組成，靠近焊縫側(cè)熱影響區(qū)由灰色塊狀G和針狀H組成。焊縫區(qū)組織如圖2（d）所示，含有典型的針狀組織I。

圖1 TC4合金電子束焊接接頭接頭OM照片F(xiàn)ig.1 OM photo of electron beam welded TC4 joint

為確定上述不同形狀的組織成分，對(duì)上述圖2中箭頭指示的各位置微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了EDS化學(xué)元素成分分析，結(jié)果如表2所示。

圖2 TC4合金電子束焊接頭典型區(qū)域SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of typical regions of electron beam welded TC4 joint

TC4合金主要由Ti、Al和V元素組成，其中，Al為密排六方（HCP） α相穩(wěn)定元素，V為體心立方（BCC）β相穩(wěn)定元素[9]。由表2可以看出，圖2（a）母材中灰色組織A和白色顆粒狀組織B分別表現(xiàn)出Al和V元素含量的相對(duì)富積，表明分別為α組織和界面β組織。熱影響區(qū)靠近母材處中的C和D的形貌和元素成分均與母材中A和B相應(yīng)特征一致，表明其分別為原始的α組織和β組織，塊狀組織E的形貌與母材中α組織顯著不同，但是元素成分與母材中α組織一致，考慮電子束連接過(guò)程中的高溫?zé)嵫h(huán)和鈦合金相變特點(diǎn)，其為加熱過(guò)程中生成的β組織在隨后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變?chǔ)两M織；同理，熱影響區(qū)靠近焊縫中的塊狀組織G也為因加熱過(guò)程中生成的β組織在隨后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變?chǔ)两M織；焊縫中的組織I的化學(xué)成為與α相一致，且具有典型的針狀形貌，為針狀馬氏體組織。熱影響區(qū)靠近母材和靠近焊縫中的針狀相F和H，因尺寸較小，未能分析出具體元素成分，但從其形貌方面，可以確定為針狀α組織。因此，可以看出，經(jīng)電子束焊接后，TC4接頭各個(gè)區(qū)域的顯微組織不均勻。

表2 圖2中各區(qū)域不同微觀組織結(jié)構(gòu)的元素成分

對(duì)接頭典型區(qū)域進(jìn)一步進(jìn)行了EBSD分析，以確定電子束焊接接頭的微觀組織演變特點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 TC4合金電子束焊接頭典型區(qū)域EBSD結(jié)果Fig.3 EBSD results of typical regions of electron beam welded TC4 joint

由圖3（a）可以看出，母材區(qū)組織的晶粒取向沿＜0001>方向存在較明顯的擇優(yōu)取向特點(diǎn)，且存在典型的纖維狀晶粒形貌，表現(xiàn)出織構(gòu)特征?？拷覆膫?cè)熱影響區(qū)晶粒取向如圖3（b）所示，未見(jiàn)明顯的擇優(yōu)取向特點(diǎn)，且晶粒形貌呈等軸狀，與母材相比組織發(fā)生顯著變化?？拷缚p側(cè)熱影響區(qū)EBSD結(jié)果如圖3（c），亦未見(jiàn)明顯的擇優(yōu)取向特點(diǎn)，且與靠近母材側(cè)熱影響區(qū)相比，出現(xiàn)較多的針狀組織形貌，表明大量針狀馬氏體的產(chǎn)生。圖3（d）中焊縫區(qū)，可見(jiàn)較多的針狀尺寸較大的組織，且同一針狀組織內(nèi)的微觀取向相同。

圖3中各區(qū)域內(nèi)α組織取向差分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。如圖4（a），母材晶粒取向差分布主要集中于2.5°附近。熱影響區(qū)靠近母材區(qū)，α組織取向差集中于2.5°和40.0°附近，且與母材相比。熱影響區(qū)靠近焊縫處和焊縫出α組織取向差主要集中于2.5°和62.5°附近。

與母材相比，熱影響區(qū)和焊縫處的α組織取向差分布均發(fā)生變化。熱影響區(qū)靠近母材處表現(xiàn)為2.5°附近所占比例明顯減小，熱影響區(qū)靠近焊縫處和焊縫區(qū)表現(xiàn)為出現(xiàn)集中于62.5°的特征。

由文獻(xiàn)[10]可知，β相向α相轉(zhuǎn)變時(shí)，α/α邊界的產(chǎn)生有3種情況，分布為：α/α邊界由同一a相晶粒中產(chǎn)生，α/α邊界由同一β相晶粒中產(chǎn)生和α/α邊界由2不同β相晶粒產(chǎn)生，且3種情況對(duì)應(yīng)的取向差不同，α/α邊界由同一α相晶粒中產(chǎn)生時(shí)，取向差主要在2°～8.029°范圍內(nèi)，α/α邊界由同一β相晶粒中產(chǎn)生時(shí)，取向差主要在8.029°～13.029°、57.5°～65.762°以及87.5°～92.5°范圍內(nèi)，α/α邊界由兩不同β相晶粒產(chǎn)生時(shí)，取向差主要在13.029°～57.5°、65.762°～87.5°以及92.5°～94°范圍內(nèi)。

因此，根據(jù)取向差分布結(jié)果可知，與母材相比，靠近母材側(cè)熱影響區(qū)表現(xiàn)出部分α/α邊界由兩不同β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)，而靠近焊縫側(cè)熱影響區(qū)和焊縫區(qū)表現(xiàn)出部分α/α邊界由兩同一β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)，因此，可以看出，距離焊縫中心不同位置，因焊接熱循環(huán)，微觀組織結(jié)構(gòu)演變過(guò)程不同。

2.2 接頭微觀組織結(jié)構(gòu)演變分析

TC4合金室溫下由α相和β相兩相組成，根據(jù)其相比特點(diǎn)知，在加熱過(guò)程中，當(dāng)加熱溫度超過(guò)β相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，α相完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，且在β上停留時(shí)間越長(zhǎng)，β相晶粒越粗大；隨后冷卻過(guò)程中，β相向α相的組織轉(zhuǎn)變時(shí)，取決于冷卻速度，會(huì)產(chǎn)生不同形貌特征的室溫組織，例如：層片狀α組織(爐冷條件)、針狀α組織(空冷條件)和針狀α’組織(水冷條件)，其中含β穩(wěn)定元素的合金自β區(qū)冷卻，冷卻速度緩慢時(shí)，以擴(kuò)散型相比的形式產(chǎn)生α相，而馬氏體α’是通過(guò)切變的方式產(chǎn)生，一般當(dāng)冷卻速度大于200℃/s時(shí)，顯微組織中便會(huì)出現(xiàn)針狀α’相[11-12]。

電子束焊接過(guò)程中，因局部快速加熱，在不同區(qū)域經(jīng)歷不同的熱循環(huán)作用，從而導(dǎo)致TC4合金在不同區(qū)域發(fā)生不同的組織演變過(guò)程，產(chǎn)生不同的微觀組織結(jié)構(gòu)特征。

圖4 TC4合金電子束焊接頭典型區(qū)域取向差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Misorientation angle results of typical regions of electron beam welded TC4 joint

在母材側(cè)熱影響區(qū)，電子束焊接過(guò)程中加熱峰值溫度約處于α-β區(qū)上部溫度，溫度較高，經(jīng)此熱循環(huán)作用，原始具有擇優(yōu)取向特征的組織發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，導(dǎo)致纖維狀微觀組織結(jié)構(gòu)特征消失，出現(xiàn)等軸特征。同時(shí)，在加熱過(guò)程中，因加熱溫度未完全超過(guò)TC4合金β相轉(zhuǎn)變溫度，α相僅部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，因此，焊接完成后室溫下仍存在部分原始等軸α組織，加熱過(guò)程中生成的β相在隨后的固態(tài)相變中主要轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀α組織和少量的針狀馬氏體α’組織，且因溫度較低，β晶粒尺寸較小，較多的α相在不同的β相晶粒中產(chǎn)生，表現(xiàn)出α/α邊界由兩不同β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)。

靠近焊縫側(cè)熱影響區(qū)，在電子束焊接過(guò)程中，材料雖未熔化，但是加熱溫度超過(guò)β相轉(zhuǎn)變溫度，加熱過(guò)程中室溫組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣陆M織，隨后冷卻過(guò)程中，冷卻速度相比靠近母材處熱影響區(qū)增加，因此，除部分β相生成塊狀α組織外，還產(chǎn)生大量的馬氏體α’組織。同時(shí)，因加熱溫度超過(guò)β相轉(zhuǎn)變溫度，TC4合金導(dǎo)熱性較差，熱容量大，β相極易快速長(zhǎng)大，α相較多的在同一β組織中產(chǎn)生，取向差分布結(jié)果表現(xiàn)出α/α邊界由同一β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)。

在焊縫區(qū)，因電子束加熱峰值溫度高，材料局部熔化形成焊接熔池，隨后冷卻時(shí)，因在熔合線處晶粒聯(lián)生結(jié)晶和定向散熱，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)的方向幾乎垂直融合線，從兩側(cè)成對(duì)地生長(zhǎng)，生成粗大柱狀晶。隨著冷卻過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，β相發(fā)生固態(tài)相變，因電子束冷卻時(shí)冷卻速度極快，β相通過(guò)原子擴(kuò)散析出穩(wěn)定態(tài)α相的過(guò)程來(lái)不及進(jìn)行，只能通過(guò)切變相變生成馬氏體α’組織，同時(shí)，因β晶粒粗大，部分馬氏體α’組織在同一β相晶粒中產(chǎn)生，從而α/α邊界取向差出現(xiàn)集中于62.5°附近，表現(xiàn)出α/α邊界由同一β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）鈦合金電子束焊接接頭由母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)組成，熱影響區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)與母材相比發(fā)生顯著變化，且母材側(cè)和焊縫側(cè)熱影響區(qū)微觀組織結(jié)構(gòu)亦不相同，焊縫區(qū)為定向生長(zhǎng)的粗大柱狀晶組織。

（2）母材側(cè)熱影響區(qū)，因電子束焊接熱循環(huán)，原始擇優(yōu)取向特征消失，出現(xiàn)等軸特征。同時(shí)，由于熱循環(huán)峰值溫度未超過(guò)β相轉(zhuǎn)變溫度，仍存在原始α和β相，加熱過(guò)程中轉(zhuǎn)變的β相生成塊狀α相和少量的針狀馬氏體α’組織，較多的α相在不同的β相晶粒中產(chǎn)生，表現(xiàn)出α/α邊界由兩不同β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)。

（3）焊縫側(cè)熱影響區(qū)，因熱循環(huán)峰值溫度超過(guò)β相轉(zhuǎn)變溫度，且冷卻速度較快，產(chǎn)生大量的針狀馬氏體α’組織以及少量塊狀α組織，α相較多的在同一β組織中產(chǎn)生，取向差分布結(jié)果表現(xiàn)出α/α邊界由同一β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)。

（4）焊縫區(qū)，加熱時(shí)完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，凝固后固態(tài)相變時(shí)，因電子束焊接冷卻速度快，產(chǎn)生大量的馬氏體α’組織，且因?yàn)棣戮Я４执螅∠虿罘植急憩F(xiàn)出α/α邊界由同一β相晶粒產(chǎn)生的特點(diǎn)。

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