大厚度TC4-DT鈦合金電子束焊接接頭微觀組織和力學(xué)性能研究

關(guān) 峰，倪家強(qiáng)，劉廣鑫，侯 琦，劉艷梅，趙泓博

（1. 中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽 110850;2. 中國人民解放軍駐中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司軍代表室， 沈陽110850）

鈦合金具有強(qiáng)度高、剛性好、抗蠕變性能好、耐高溫性能好以及良好的焊接性能等，在飛機(jī)、火箭、艦船、戰(zhàn)車、汽車等上得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。在航空制造中，鈦合金材料使用的比例逐漸增加。同時，電子束焊接作為高能束焊接方法為航空工業(yè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。隨著電子束焊接技術(shù)的發(fā)展和鈦合金用量的增加，鈦合金零部件的電子束焊接制造不斷增多[4]。

TC4鈦合金對應(yīng)的國際牌號Ti-6Al-4V合金是一種用途廣泛的雙相鈦合金[5]，主要用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片、風(fēng)扇及飛機(jī)中的梁、框等承力構(gòu)件的制造。

Lee等[6-7]對比了TC4合金等軸組織和雙態(tài)組織的動態(tài)變形行為和彈道沖擊性能，試驗(yàn)研究表明，雙態(tài)組織的最大剪應(yīng)力和剪切破壞應(yīng)變較等軸組織相比具有較好的性能。

TC4-DT鈦合金是一種通過成分設(shè)計(jì)優(yōu)化、純凈化熔煉和β相熱加工等技術(shù)制得的高強(qiáng)度、高斷裂韌度的高損傷容限型雙相鈦合金，性能與國外Ti-6Al-4V ELI合金性能相近，ELI級別的TC4合金變形行為應(yīng)避免在β轉(zhuǎn)變溫度區(qū)附近，研究結(jié)果表明，在β轉(zhuǎn)變溫度區(qū)附近，在低應(yīng)變速率下，該型鈦合金易存在孔洞形核和邊緣裂紋萌生行為[8]。TC4-DT未來有望成為飛機(jī)用整體框、梁等關(guān)鍵承力構(gòu)件的主要材料，滿足飛機(jī)大尺寸結(jié)構(gòu)零件的需要[9-11]。

本文是對大厚度TC4-DT鈦合金采用高壓電子束進(jìn)行焊接，通過拉伸、沖擊、斷裂韌性等性能檢測，對包括損傷容限等性能在內(nèi)的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

本文采用TC4-DT合金試板尺寸為200mm×100mm×60mm,其主要化學(xué)成分Al為5.6%～6.35%，V為3.6%～4.4%，F(xiàn)e ≤0.25%，其余為Ti等。焊前采用酸洗方法清理試板表面及焊接位置，采用氬弧焊點(diǎn)焊對接試板。試驗(yàn)采用ZDl50-30C CV65M焊機(jī)沿試板長度方向進(jìn)行電子束焊接，焊接參數(shù)見表1，焊后采用730℃進(jìn)行真空退火處理。

表1 焊接參數(shù)

針對電子束焊縫，采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行焊縫形貌組織觀察，制備接頭拉伸、焊縫沖擊及斷裂韌性試件并測試，通過掃描電鏡進(jìn)行斷口觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 焊縫宏觀形貌

焊縫的幾何特征如圖1所示，焊縫呈典型平行焊縫，焊縫的釘尖嵌入工藝墊板，在接頭的有效厚度里面焊縫近似平行焊縫。平行焊縫的優(yōu)點(diǎn)在于焊縫兩側(cè)的熔合線近似平行，從上到下焊縫的組織均勻性優(yōu)于錐形、釘形等其他類型焊縫。因其組織均勻，故焊接接頭的各部分性能差別較小，是電子束焊接的理想接頭形式。

圖1 焊縫宏觀組織形貌Fig.1 Weld morphology

2.2 電子束焊接接頭微觀組織形貌

2.2.1 TC4-DT鍛件的顯微組織

TC4-DT組織為片層狀組織，組織為粗大的原始β晶粒和α相，如圖2所示，在原β晶界內(nèi)析出了多組α層片束，α層片束交叉分布。在鍛造過程中，部分被擊碎的α片層組織散落在β晶粒中。

圖2 基材組織Fig.2 Microstructure of base metal

2.2.2 TC4-DT焊縫的顯微組織

TC4-DT電子束焊縫基體為α片層集束組織，在730℃保溫3.5h去應(yīng)力退火時，α相沒有轉(zhuǎn)化成β相而被保留下來，α片層和β晶界有所長大如圖3（a）所示；在結(jié)晶溫度以上，原始β晶粒再結(jié)晶析出針狀α′組織。

熱影響區(qū)由原始α組織、原始β組織和細(xì)小的α′馬氏體等組織組成，主要是由于熱影響區(qū)的溫度較焊接接頭溫度低，α相發(fā)生了不完全轉(zhuǎn)變，少量α相經(jīng)歷較短的高溫時間轉(zhuǎn)變?yōu)榇阌驳尼槧瞀痢漶R氏體如圖3（b）所示；焊縫金屬經(jīng)歷了熔化、快速冷卻凝固，轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧瞀痢漶R氏體，馬氏體集束交叉分布，形成網(wǎng)籃狀組織如圖3（c）所示。

2.3 接頭常規(guī)力學(xué)性能研究

2.3.1 靜態(tài)拉伸

電子束焊接接頭室溫拉伸性能如表2所示。接頭Rm（抗拉強(qiáng)度）、Rp0.2（屈服強(qiáng)度）與基材相當(dāng)，但斷后伸長率略低于基材，為基材的82%，焊縫接頭性能呈現(xiàn)高強(qiáng)低塑特性。電子束焊接試件拉伸斷裂位置位于遠(yuǎn)離焊縫的基材處，斷口呈鋸齒狀。

電子束焊縫以馬氏體組織為主，淬硬性和強(qiáng)度均高于基材；接頭拉伸試樣焊縫在中央，兩側(cè)為基材，屬于高匹配接頭；在拉伸過程中基材金屬先發(fā)生屈服、斷裂，因此接頭強(qiáng)度基本與母材相當(dāng)[12]。

2.3.2 焊縫沖擊性能

電子束焊縫室溫沖擊性能如表3所示。與基材相比，電子束焊縫沖擊韌性略低。斷口形貌如圖4所示，由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇3部分組成，側(cè)面的剪切唇較大，缺口附近纖維區(qū)較小；中央大部分為放射區(qū)，存在大量密集的等軸韌窩，為典型的韌性斷裂。

表2 試件室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 試件室溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.3.3 斷裂韌度性能檢測

對焊接接頭進(jìn)行室溫?cái)嗔秧g度測試，斷裂韌度值如表4所示，與TC4-DT鈦合金鍛件的斷裂韌度相比，焊接接頭的斷裂韌性下降約20%。

表4 試件室溫?cái)嗔秧g性試驗(yàn)結(jié)果

圖4 TC4-DT電子束焊接沖擊韌性及斷裂形貌Fig.4 Impact specimens morphology of TC4-DT EBW joints

從焊縫的顯微組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，焊縫中大量的長針狀馬氏體交錯排布形成致密的網(wǎng)籃狀組織；在斷裂擴(kuò)展中，這種網(wǎng)籃組織阻礙了裂紋的擴(kuò)展,增加了能量的損耗，同時裂紋在擴(kuò)展過程中，穿過晶粒內(nèi)不同方向的馬氏體時，由于馬氏體組織阻礙裂紋的擴(kuò)展及改變裂紋擴(kuò)展的方向，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的路徑變長[13]。

在退火過程中，真空爐由于對合金保溫時間較長，晶粒和針狀馬氏體均能夠有所長大，長大的β晶粒的塑性區(qū)能夠有效阻止裂紋擴(kuò)展，同時變大的馬氏體能夠有效的延緩裂紋的擴(kuò)展，在去除焊接殘余應(yīng)力的同時，也有助于提高斷裂韌性[14-16]。因此，TC-DT電子束焊接接頭具有良好的損傷容限性能，能夠有效滿足航空需要。

3 結(jié)論

（1）TC4-DT鈦合金具有優(yōu)良的電子束焊接工藝性能，選用優(yōu)化的焊接工藝能夠獲得平行型的焊接接頭。

（2）焊縫形成針狀馬氏體網(wǎng)籃組織，熱影響區(qū)為細(xì)小的α片層組織+針狀馬氏體組織。

（3）電子束焊接接頭拉伸強(qiáng)度、焊縫沖擊韌性等力學(xué)性能與基材相當(dāng)，焊縫斷裂韌性也達(dá)到了基材的80%以上。

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