TC4-DT鈦合金線性摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能分析

（中國航空制造技術(shù)研究院航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

TC4-DT鈦合金是為了滿足新一代飛機(jī)對(duì)長壽命、高損傷容限和良好耐久性的設(shè)計(jì)需求，在TC4鈦合金基礎(chǔ)上，通過成分設(shè)計(jì)優(yōu)化、純凈化熔煉和β熱加工工藝等途徑，改善合金損傷容限性能，使其成為具有900MPa強(qiáng)度級(jí)別和高斷裂韌性的損傷容限型兩相鈦合金[1]。TC4-DT鈦合金的斷裂韌性超過90（MPa·m1/2），性能與美國第四代戰(zhàn)機(jī)F-22上用量最大的損傷容限型鈦合金Ti-6Al-4V ELI相當(dāng)，適合制造大型整體化框、梁和接頭等航空構(gòu)件，是未來飛行器主承力結(jié)構(gòu)的重要選擇材料之一[2-3]。航空器主承力結(jié)構(gòu)具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造和機(jī)加手段難以直接制造此類結(jié)構(gòu)。因此，亟須發(fā)展一種高效的焊接與連接技術(shù)，利用多個(gè)部分分體制造+整體焊接的手段，實(shí)現(xiàn)航空飛行器主承力結(jié)構(gòu)的制造。

線性摩擦焊是近年來發(fā)展起來的一種新工藝，焊接過程中無須氣體保護(hù)和真空條件，可實(shí)現(xiàn)大尺寸、大截面構(gòu)件的焊接，并且接頭的綜合力學(xué)性能優(yōu)良，能夠滿足高可靠性部件的使用要求[4]。在航空領(lǐng)域中，線性摩擦焊對(duì)大多數(shù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料具有良好的焊接適應(yīng)性，尤其適用于承力構(gòu)件所選用的高強(qiáng)度金屬材料焊接過程[5]。

本文針對(duì)TC4-DT鈦合金材料，開展其線性摩擦焊接頭的組織分析和力學(xué)性能測試，為TC4-DT鈦合金材料在飛機(jī)構(gòu)件線性摩擦焊制造技術(shù)的應(yīng)用中奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為TC-DT鈦合金材料，其主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Al 5.6%～6.5%，V 3.4%～4.5%，其余為Ti；試件尺寸為130mm×20mm×75mm，焊接面積為1500mm2。在自行研制的線性摩擦焊設(shè)備上進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行接頭的去應(yīng)力退火處理，熱處理溫度為T=700℃，保溫 3h。

采用光學(xué)顯微鏡JENAPHOT2000對(duì)母材及接頭金相組織進(jìn)行觀察，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭進(jìn)行拉伸、沖擊和低周疲勞性能試驗(yàn)，在Hitachi S-3400N掃描電鏡下對(duì)性能斷口進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

圖1為TC4-DT線性摩擦焊接試樣，可以看出，焊接試樣的飛邊顏色呈現(xiàn)鐵銹色，飛邊從接頭的四周擠出，沿著試件振動(dòng)方向的飛邊（縱向飛邊）長度較長，且飛邊呈現(xiàn)波紋狀的紋理；垂直于振動(dòng)方向的飛邊（橫向飛邊）呈現(xiàn)更細(xì)微的紋理。

圖2為TC4-DT鈦合金線性摩擦焊接頭的低倍組織形貌，可以看出，焊后兩塊試樣的原始界面消失，接頭分為3個(gè)明顯區(qū)域：母材區(qū)（BM）、熱力影響區(qū)（TMAZ）及焊縫區(qū)（WZ）。圖3為TC4-DT線性摩擦焊接頭各區(qū)域的顯微組織。從圖3（a）可以看出，TC4-DT鈦合金母材的顯微組織為片狀組織，具有粗大的β晶粒和較完整的晶界α相。其中α相有兩種形態(tài)，一種為等軸的初生α相，另一種為β晶粒內(nèi)存在位向不同的α“集束”（片晶團(tuán)），同一“集束”內(nèi)有很多大致平行的α條，且α條也具有一定的長度[6]。TC4-DT的線性摩擦焊接頭焊縫以及熱力影響區(qū)非常狹窄，焊縫區(qū)為細(xì)小的層片狀α相和一些彌散分布細(xì)小等軸α相以及殘留的亞穩(wěn)態(tài)β晶粒，其晶粒尺寸與熱力影響區(qū)相比較小。摩擦焊接過程中界面溫度超過基體材料的相變溫度，焊縫組織發(fā)生相變?cè)俳Y(jié)晶。熱力影響區(qū)晶粒嚴(yán)重拉長，拉長的方向沿著試樣摩擦的方向，其組織由高度變形的晶粒組成[7]。

圖1 焊接試樣外形照片F(xiàn)ig.1 Figuration of a sample after welding

圖2 TC4-DT線性摩擦焊接頭顯微組織Fig.2 Microstructure of the TC4-DT LFW joints

圖3 TC4-DT線性摩擦焊接頭各區(qū)域顯微組織Fig.3 Regional microstructure of the TC4-DT LFW joints

2.2 力學(xué)性能測試結(jié)果

表1為TC4-DT母材和接頭在室溫、400℃高溫拉伸測試結(jié)果?？梢钥闯?，TC4-DT鈦合金線性摩擦焊接頭的室溫、高溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度略低于母材，抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的97%以上，延伸率與母材相當(dāng)。高溫拉伸試驗(yàn)時(shí)，TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較室溫試驗(yàn)低，延伸率較室溫試驗(yàn)高。

表2為TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭的低溫（-70℃）和室溫沖擊性能測試結(jié)果?？梢钥闯觯诘蜏睾褪覝貤l件下，TC4-DT線性摩擦焊接頭各區(qū)域的沖擊性能均達(dá)到母材水平，室溫沖擊性能高于低溫沖擊性能。

圖4對(duì)比了TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭低周疲勞性能曲線，其中紅色線為TC4-DT線性摩擦焊接頭的低周疲勞曲線，黑色線為TC4-DT母材低周疲勞曲線。可以看出，兩條曲線基本重合，表明TC4-DT線性摩擦焊接頭的低周疲勞性能與母材相當(dāng)。

2.3 試驗(yàn)斷口分析

圖5為TC4-DT線性摩擦焊接頭的拉伸斷口形貌，斷裂位置為母材。從圖5（a）、（c）中可以看出，在相同倍數(shù)下，隨著試驗(yàn)溫度的升高，斷口橫截面積減小。從圖5（b）、（d）中可以看出，TC4-DT線性摩擦焊接頭的拉伸斷口含有大量的韌窩，斷裂形式為韌性斷裂。隨著試驗(yàn)溫度的升高，材料中的晶界和相界對(duì)位錯(cuò)的阻礙作用減弱，使得試樣強(qiáng)度下降，延伸率上升，斷口周圍的頸縮現(xiàn)象更加明顯。

圖6為TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭沖擊斷口纖維區(qū)形貌?？梢钥闯?，在不同的試驗(yàn)溫度條件下，母材和接頭斷口纖維區(qū)都可以觀察到大量的韌窩存在，斷裂方式為韌性斷裂。-70℃試驗(yàn)條件下，斷口韌窩尺寸與韌窩深度略小于23℃條件下的斷口，且存在較多的撕裂棱，撕裂棱周圍存在大量由細(xì)小韌窩構(gòu)成的區(qū)域，說明在-70℃試驗(yàn)條件下，試樣出現(xiàn)一定脆性。由于線性摩擦焊接頭的焊縫區(qū)和熱力影響區(qū)組織相對(duì)母材細(xì)小，在相同沖擊試驗(yàn)溫度條件下，焊縫區(qū)和熱力影響區(qū)的韌窩形貌較母材細(xì)小[8]。

表1 拉伸性能測試結(jié)果

表2 沖擊性能測試結(jié)果

圖4 TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭低周疲勞性能曲線(應(yīng)變-循環(huán)周次)對(duì)比Fig.4 Comparison of the low-cycle fatigue curves（Δε/2-2Nf）for TC4-DT base metal and LFW joints

圖5 TC4-DT線性摩擦焊接頭拉伸斷口形貌Fig.5 Fracture surface of the tensile samples for TC4-DT LFW joints

圖6 TC4-DT母材和線性摩擦焊接頭沖擊斷口形貌Fig.6 Fracture surface of the impact properties for TC4-DT alloy and LFW joints

圖7為TC4-DT線性摩擦焊接頭低周疲勞試樣斷口形貌，斷裂位置為母材。圖7（a）所示為低周疲勞斷口的宏觀形貌，從中可以分辨出疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)；圖7（b）所示為裂紋從試樣的表面或近表面萌生，向試樣中部擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)較平整；圖7（c）所示為裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口的微觀形貌，為典型的疲勞斷口，斷口中存在明顯的細(xì)小疲勞條紋和二次裂紋[9]；圖7（d）所示為試樣發(fā)生斷裂時(shí)的剪切唇形貌，剪切唇存在著拉長韌窩和等軸韌窩兩種形態(tài)，表明其受到了剪切力和拉伸力的交互作用[10]。

圖7 TC4-DT線性摩擦接頭低周疲勞試樣斷口Fig.7 Fracture surface of low-cycle fatigue for TC4-DT LFW joint

3 結(jié)論

（1）TC4-DT線性摩擦焊接頭可明顯觀察到3個(gè)區(qū)域：母材區(qū)（BM）、熱力影響區(qū)（TMAZ）和焊縫區(qū)（WZ）。母材區(qū)為粗大的β晶粒和片狀α相，焊縫區(qū)為細(xì)小的層片狀α相和一些彌散分布細(xì)小等軸α相以及殘留的亞穩(wěn)態(tài)β晶粒，熱力影響區(qū)晶粒嚴(yán)重拉長。

（2）TC4-DT鈦合金線性摩擦焊接頭具有良好的綜合力學(xué)性能，其室溫和高溫（400℃）抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的97%以上；在低溫（-70℃）和室溫條件下，TC4-DT線性摩擦焊接頭沖擊性能與母材相當(dāng)；室溫條件下接頭的低周疲勞性能與母材相當(dāng)。

（3）TC4-DT線性摩擦焊接頭在拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)中均表現(xiàn)為韌性斷裂。

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