Ti60合金板材電子束焊接接頭組織性能研究

方波+任萍+李英+陳志勇+陳仲強(qiáng)+劉艷+王清江+宋璽玉+魏明霞+胡井祥+呂晶晶

摘要： 研究了Ti60合金板材電子束焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能.研究表明，焊接接頭熔合區(qū)中的顯微組織由針狀α′相、α相和β相組成，熱影響區(qū)的顯微組織為β相轉(zhuǎn)變組織、針狀α′相及部分未溶解的等軸初生α相組成的混合組織.焊接接頭硬度呈不均勻分布，焊縫熔合區(qū)的硬度最高，熱影響區(qū)次之，母材區(qū)最低.焊接接頭的室溫和高溫拉伸均斷裂于母材區(qū)，焊接接頭處拉伸強(qiáng)度等同于接頭處母材區(qū)的強(qiáng)度.焊接接頭的持久斷裂均發(fā)生于焊縫區(qū)域，接頭的持久壽命均>100 h.

關(guān)鍵詞： Ti60合金； 板材； 電子束焊接； 力學(xué)性能

中圖分類號(hào)： TG 407文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Microstructure and Mechanical Property of Electron

Beam Welded Joints of Ti60 Alloy Plates

FANG Bo1，REN Ping1，LI Ying1，CHEN Zhiyong2，CHEN Zhongqiang1，LIU Yan1，

WANG Qingjiang2，SONG Xiyu1，WEI Mingxia1，HU Jingxiang1，LYU Jingjing1

（1.AECC Shenyang Liming Aeroengine Corporation， Ltd.， Shenyang 110043， China；

2.Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China）

Abstract： Microstructure and mechanical properties of electron beam welded Ti60 plate were investigated.The results show that the microstructures in fusion zone （FZ） of joint after post weld heat treatment （PWHT） are composed of acicular α′ phase，α and β phases.The microstructure of the heat affected zone （HAZ） is a mixed structure of βphase transition structure，acicular martensite α′ phase and partially undissolved equiaxed primary α phase.The hardness of the welded joint is unevenly distributed.The highest hardness was found in FZ，then lower in HAZ，and the lowest in base material （BM）.Both the room temperature and the high temperature tensile of the welded joint are broken in the base material zone，and the tensile strength at the welded joint is equivalent to the strength of the base material zone at the joint.All the creep rupture specimens failed at FZ with a creep rupture life above 100 hours.

Keywords： Ti60 alloy； plates； electron beam welding； mechanical property

Ti60合金是我國自行研制的一種近α型高溫合金，長時(shí)服役溫度可達(dá)到600 ℃.該合金具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，且具有較好的蠕變和疲勞性能，是我國制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要選用材料之一.經(jīng)過多年的應(yīng)用研究，Ti60合金的棒材、鍛件均已逐步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)和批量供貨.近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件制造對(duì)使用溫度在600 ℃的高溫鈦合金板材的潛在需求，“十二五”期間中國科學(xué)院金屬研究所和寶鈦集團(tuán)公司開展了Ti60合金板材的研制和工業(yè)化試制工作，成功試制出不同厚度規(guī)格（2～10 mm）且綜合性能良好的Ti60合金板材.

國內(nèi)外的研究者已開展了大量針對(duì)航空結(jié)構(gòu)用Ti6Al4V合金的焊接工藝的研究[1-6]，但針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用近α型鈦合金的焊接工藝報(bào)道很少.由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重的需求，某先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的筒體部件采用電子束焊接的方法制造.Ti60合金因其優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，是制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)筒體零件的待選材料之一.目前，國內(nèi)研究單位針對(duì)Ti60合金鍛件開展了大量焊接性能的研究工作[7-10]，但對(duì)Ti60合金板材的焊接工藝、成型技術(shù)和力學(xué)性能評(píng)價(jià)研究尚未開展系統(tǒng)的研究工作.

本研究通過對(duì)Ti60合金板材進(jìn)行電子束焊接試驗(yàn)研究，對(duì)板材電子束焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析與評(píng)測，為Ti60合金板材的工程化應(yīng)用積累焊接工藝與力學(xué)性能的數(shù)據(jù).

第3期方波，等：Ti60合金板材電子束焊接接頭組織性能研究有 色 金 屬 材 料 與 工 程2017年 第38卷1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用Ti60合金板材的名義成分為Ti5.5Al4.0Sn3.5Zr0.5Mo0.35Si0.4Nb1.0Ta（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.鑄錠經(jīng)3次真空自耗熔煉后，在寶鈦集團(tuán)的1.2 m軋機(jī)上完成工業(yè)化軋制.用于焊接試驗(yàn)的成品板材規(guī)格為6 mm×800 mm×2 400 mm，以退火態(tài)供貨，退火工藝制度為1 000 ℃×1 h/AC.板材的顯微組織由等軸α相和少量β相轉(zhuǎn)變組織組成，橫向和縱向的組織差異不明顯，如圖1所示.板材的電子束焊接在中國航發(fā)黎明公司進(jìn)行，表1為焊接工藝參數(shù).焊接沿板材的軋制方向進(jìn)行，板材焊接后進(jìn)行750 ℃×2 h/AC的焊后熱處理，用于消除焊接殘余應(yīng)力.焊后探傷表明，焊縫質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)可探缺陷，如圖2所示.

焊接接頭經(jīng)過焊后熱處理后，利用Zeiss Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織，試樣制備過程為：預(yù)磨機(jī)械拋光化學(xué)腐蝕處理（Krolls腐蝕劑）.在FutureTech（FM700e）顯微硬度計(jì)上進(jìn)行焊接接頭顯微硬度測試.在日本島津AGX250 kN電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測試，其最大載荷為250 kN，載荷精度為0.5%，試驗(yàn)速率為0.000 5～500 mm/min，測試溫度范圍為300～1 100 ℃，拉伸試樣標(biāo)距為15 mm，拉伸速率為0.002 s-1.在SANSGWT105高溫蠕變機(jī)上進(jìn)行持久試驗(yàn).焊接接頭的拉伸試樣和持久試樣采用棒狀，焊縫位于試樣標(biāo)距的中心位置.

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1焊接接頭的宏觀與微觀組織特征

圖3為沿板材不同方向焊接的焊接接頭的宏觀形貌.從圖3中可以觀察到，焊接接頭由熔化區(qū)（FZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材區(qū)（BM）組成.熔化區(qū)為柱狀晶，由熱影響區(qū)逆向散熱最快的方向向焊縫中心生長，焊縫從正面到背面基本等寬.宏觀組織中未發(fā)現(xiàn)有氣孔等焊接缺陷，焊接接頭的母材區(qū)軋制流線不明顯，說明此方向母材中的軋制織構(gòu)較弱.

圖4為焊接熔化區(qū)和熱影響區(qū)顯微組織照片.由圖4（a）可知，焊縫熔合區(qū)由針狀片層組織組成，由于Ti60合金為近α型合金，合金中β相穩(wěn)定元素含量較低，在電子束焊接的冷卻條件下，Ti60合金的電子束焊縫中會(huì)發(fā)生β相→針狀α′相的馬氏體相變，在熔化區(qū)中生成密排六方結(jié)構(gòu)的針狀α′相.本研究中，在焊后750 ℃熱處理?xiàng)l件下，少量的馬氏體會(huì)分解為α相和β相.因此，熔化區(qū)中的針狀片層組織為針狀α′相、α相和β相組成.

圖4（b）～4（d）為焊接接頭熱影響區(qū)的微觀組織.由圖4（b），4（c）可見，距熔化區(qū)較近的熱影響區(qū)中部（MiddleHAZ）及近熱影響區(qū)（NearHAZ），由于在電子束焊接過程中某些區(qū)域的峰值溫度超過了αSymbolk@@ β/β相轉(zhuǎn)變溫度，因此，中部熱影響區(qū)和近熱影響區(qū)的微觀組織發(fā)生了如下變化：超過αSymbolk@@ β/β相轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域α相均轉(zhuǎn)變成β相；而接近αSymbolk@@ β/β相轉(zhuǎn)變溫度的區(qū)域，大部分α相轉(zhuǎn)變成了β相，只剩余少部分的等軸初生α相，在電子束焊接后的冷卻過程中，剩余的等軸初生α相將保留到室溫，β相將轉(zhuǎn)變?yōu)棣罗D(zhuǎn)變組織或針狀α′相.由圖4（d）可知，靠近母材區(qū)的接頭熱影響區(qū)（FarHAZ）在電子束焊接的熱循環(huán)過程中的峰值溫度低于αSymbolk@@ β/β相的轉(zhuǎn)變溫度.因此，遠(yuǎn)熱影響區(qū)的微觀組織由部分溶解的等軸初生α相和β相轉(zhuǎn)變組織組成（見圖4（a），4（b）），與母材區(qū)的組織差異較小.綜上所述，在本試驗(yàn)的熱處理?xiàng)l件下，焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織為β相轉(zhuǎn)變組織、針狀α′相及部分未溶解的等軸初生α相組成的混合組織.

2.2焊接接頭的顯微硬度分布

從焊接接頭一側(cè)的母材區(qū)開始，跨過熔化區(qū)到另一側(cè)母材區(qū)，每間隔20 μm進(jìn)行硬度測試，得到焊接接頭的硬度分布曲線，見圖5.由圖5中的曲線可知，焊接接頭的硬度呈不均勻的“馬鞍”狀分布，焊接接頭中熔化區(qū)的硬度為380～400（HV），母材區(qū)的硬度為310～340（HV）；熱影響區(qū)的硬度波動(dòng)范圍較寬，由熔化區(qū)附近的390（HV）左右，逐漸減小到母材區(qū)附近的340（HV）左右.造成焊接接頭硬度分布不均的主要原因是焊接接頭各區(qū)域組織的分布不均，熔化區(qū)中的組織為大量細(xì)小的針狀α′+α片層組織.該組織的特點(diǎn)是顯微硬度和強(qiáng)度高、塑性低.由組織分析可知，熱影響區(qū)中隨距熔化區(qū)距離的不同，存在數(shù)量不等的針狀α′組織，隨著針狀組織的減少，顯微硬度值逐漸下降到母材區(qū)水平.

2.3焊接接頭的力學(xué)性能

表2和表3分別為Ti60合金板材及其焊接接頭的拉伸力學(xué)性能.由表3中數(shù)據(jù)可知，焊接接頭的室溫和高溫拉伸試樣均斷裂于母材區(qū).由于焊接接頭的3個(gè)區(qū)域中，母材區(qū)硬度最低，見圖5，因此拉伸變形過程中，硬度較低的母材區(qū)首先發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終斷裂也發(fā)生在此區(qū)域.對(duì)比表2和表3還可以看出，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度與焊接前的成品板材相比，出現(xiàn)一定程度的下降.原因是，經(jīng)過750 ℃焊后熱處理后，焊接接頭母材區(qū)中的α相發(fā)生不同程度的粗化，根據(jù)HallPetch公式：

σ=σ0+Kd-1/2（1）

式中：σ0及K均為常數(shù)；d為變形障礙間距.

國外對(duì)合金的拉伸變形行為研究認(rèn)為，拉伸變形過程中，位錯(cuò)滑移一般需越過板材厚度方向進(jìn)行，因此拉伸變形的主要變形障礙為α相厚度[11-12].板條厚度增加，導(dǎo)致母材區(qū)的強(qiáng)度下降，因此，焊接接頭的強(qiáng)度隨拉伸斷裂位置（母材區(qū)）的強(qiáng)度下降而下降.電子束焊接接頭的伸長率均比板材的伸長率略低，這是由于焊接接頭熔化區(qū)和熱影響區(qū)的硬度和抗拉強(qiáng)度均高于母材區(qū)，在拉伸過程中，這兩個(gè)區(qū)域不參與拉伸變形.

表4為板材及其焊接接頭的持久性能數(shù)據(jù).由表4可知，焊接接頭的持久性能較板材略差，觀察試樣斷裂位置發(fā)現(xiàn)，所有的焊接接頭持久試樣均斷裂于試樣中部的焊縫區(qū)域.導(dǎo)致焊接接頭持久性能下降的原因，是由于焊縫區(qū)域存在的細(xì)小針狀α′+α片層組織所致.焊縫區(qū)中細(xì)小的針狀組織導(dǎo)致α板條間的界面密度較母材區(qū)大，由于板條界面是發(fā)生位錯(cuò)攀移的主要區(qū)域[13]，持久試驗(yàn)過程中，單位時(shí)間內(nèi)熔化區(qū)由于位錯(cuò)攀移產(chǎn)生的變形要比母材區(qū)大得多，使蠕變過程中回復(fù)作用加快，累積較大的變形.因而在相同持久變形條件下，焊縫熔化區(qū)內(nèi)單位體積的位錯(cuò)攀移數(shù)量增多，進(jìn)而在此區(qū)域產(chǎn)生較大的持久變形，最終斷裂也發(fā)生在此區(qū)域.

3結(jié)論

（1） Ti60合金板材的焊接質(zhì)量良好，焊縫表面未發(fā)現(xiàn)咬邊、未焊合等焊接缺陷.

（2） Ti60合金板材電子束焊接接頭熔化區(qū)的顯微組織由針狀α′相、α相和β相組成，熱影響區(qū)的顯微組織為β相轉(zhuǎn)變組織、針狀α′相及部分未溶解的等軸初生α相組成的混合組織.

（3） 焊接接頭顯微硬度呈不均勻分布，焊縫熔化區(qū)的顯微硬度最高，熱影響區(qū)次之，母材區(qū)最低.

（4） 焊接接頭的室溫和高溫拉伸均斷裂于母材區(qū)，焊接接頭的拉伸強(qiáng)度等同于接頭母材區(qū)的強(qiáng)度.

（5） 焊接接頭的持久斷裂均發(fā)生于焊縫區(qū)域，接頭的持久壽命均>100 h.

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