TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510650）

TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能

陳永城，張宇鵬，羅子藝，韓善果，哈斯金·弗拉基斯拉夫

（廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510650）

研究TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，TC4/TA17異種鈦合金激光焊接頭焊縫的顯微組織為片狀α′馬氏體，TC4側(cè)靠近母材的熱影響區(qū)和TA17側(cè)靠近母材的熱影響區(qū)只發(fā)生α相向β相轉(zhuǎn)變，TC4側(cè)靠近焊縫的顯微組織為殘余α相+針狀α′馬氏體，TA17側(cè)靠近焊縫的顯微組織為殘余α相+片狀α′馬氏體。TC4/TA17異種鈦合金激光焊接頭的顯微硬度呈不對稱分布，焊縫的顯微硬度最高，TA17母材顯微硬度最低。TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭斷裂在TA17母材，斷口呈現(xiàn)韌性斷裂形貌。

激光焊接；鈦合金；異種接頭；顯微組織；力學(xué)性能

0 前言

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性良好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核電、化工等領(lǐng)域。TA17鈦合金是一種近α鈦合金，名義成分為Ti-4Al-2V，具有中等強度、良好的焊接性能和抗腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于船舶、化工、航空等領(lǐng)域[1]。TC4鈦合金是一種典型α-β兩相型鈦合金，它含有6%的α穩(wěn)定元素Al和4%的β穩(wěn)定元素V，是工業(yè)應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一[2]。工業(yè)應(yīng)用往往需要實現(xiàn)異種鈦合金結(jié)構(gòu)的混合制造以更好地發(fā)揮鈦合金的輕量化和實現(xiàn)制造成本的最低化。

目前鈦合金焊接有鎢極氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊、激光焊等方法，與傳統(tǒng)鈦合金焊接相比，鈦合金激光焊接具有能量密度高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)（HAZ）窄、焊件變形極小、非接觸和無需真空等優(yōu)勢，正在成為鈦合金焊接的主要方法。近年來，國內(nèi)外對異種鈦合金激光焊接的研究主要集中在 TC4/TA15[3]、BTi-6431S/TA15[4]異種鈦合金激光焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能，而關(guān)于TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能還沒有相關(guān)報道。

本研究采用高功率碟片激光器制備了3 mm TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭、TC4/TC4鈦合金激光焊接接頭、TA17/TA17鈦合金激光焊接接頭，對比研究鈦合金激光焊接接頭的組織特征和力學(xué)性能，以期為TC4/TA17異種鈦合金的激光焊接應(yīng)用提供實驗數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 實驗方法

實驗設(shè)備采用Trumpf Trudisk 10002型碟片型激光器，額定最大輸出功率為10 kW，準(zhǔn)直焦距為200 mm，聚焦焦距200 mm，傳輸光纖直徑200 μm，焊接過程的離焦量為-1 mm，焊接速度2.7 m/min，氬氣流量15 L/min，激光功率2.1 kW。

實驗材料為3 mm厚的TC4和TA17鈦合金，其化學(xué)成分如表1所示。試樣尺寸130 mm×100 mm×8 mm，焊接前用砂紙打磨試樣表面，用3%HF+30%HNO3+67%H2O溶液進行酸洗去除氧化物，再用酒精清潔吹干。

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表1 TC4和TA17鈦合金化學(xué)成分

采用金相顯微鏡觀察焊接接頭不同區(qū)域微觀組織，金相腐蝕液為10%HF+10%HNO3+80%H2O的Kroll試劑。采用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。利用EVERONE VDMH型顯微硬度儀測定試樣顯微硬度，荷載500 g，加載時間10 s。在CP-TS2000/100 kW萬能拉伸試驗機進行常溫拉伸試樣，加載速度1 mm/min。拉伸試樣形狀尺寸根據(jù)GB/T228-2002設(shè)計，其尺寸示意如圖2所示。

圖1 鈦合金激光焊接裝置示意Fig.1 Sketch of experiment set for laser welding of titanium alloy

圖2 拉伸試樣尺寸示意Fig.2 Sketch of tensile sample size

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 焊接接頭組織分析

鈦合金激光焊接接頭宏觀截面形貌如圖3所示。TC4/TA17、TC4/TC4、TA17/TA17 激光焊接接頭焊縫組織由“異?！贝执笤鸡轮鶢罹Я＝M成，這是因為β-Ti相原子擴散系數(shù)比α-Ti相大好幾個數(shù)量級，β柱狀晶粒長大對過熱十分敏感，激光焊接過程中的熔池底部、熱影響區(qū)以及與熔體接觸的半熔母材都屬于超高溫條件下，半熔母材β晶粒先快速長大，焊縫中β柱狀晶在已粗化的半熔母材β晶粒為基底沿?zé)崃鱾鬟f相反方向快速形成粗大的柱狀晶[5]。由圖3b、3c可知，熔合線附近有圓氣孔，母材中少量氫氣及焊前清理殘留的油污和氧化膜等均能在焊接過程形成氣孔，且激光焊接屬于快速凝固，熔池中形成的氣孔難以逸出。

母材的顯微組織如圖4所示。由圖4a可知，TC4鈦合金母材顯微組織為等軸粒狀β相分布在α相基材上。由圖4b可知，TA17鈦合金母材顯微組織為少量β相和等軸的初生α相。

鈦合金激光焊接接頭焊縫顯微組織如圖5所示。由圖5a可知，TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭焊縫顯微組織為片狀組織，TC4/TC4激光焊接接頭焊縫顯微組織為更細小的針狀組織，TA17/TA17激光焊接接頭焊縫顯微組織為片狀組織。鈦合金激光焊接接頭焊縫的XRD譜如圖6所示，針狀和片狀組織為α′馬氏體。文獻[6]指出，鈦合金中的Mo當(dāng)量可用來評估β穩(wěn)定元素對鈦合金顯微組織的影響，當(dāng)Mo當(dāng)量小于6時，鈦合金凝固組織為α′馬氏體，否則鈦合金凝固組織為α′′馬氏體或者為β相[6]。

圖3 鈦合金激光焊接接頭宏觀截面形貌Fig.3 Cross-section profiles of titanium alloy laser beam welded joints

圖4 母材的顯微組織Fig.4 Mircostructures of base metals

圖5 鈦合金激光焊接接頭焊縫顯微組織Fig.5 Microstructures of weld metal of titanium alloy laser beam welded joint

Mo當(dāng)量的計算公式為[7]：[Mo]eq=[Mo]+0.2[Ta]+0.28[Nb]+0.4[W]+0.67[V]+1.25[Cr]+1.25[Ni]+1.7[Mn]+1.7[Co]+2.5[Fe]，本實驗采用TC4鈦合金的Mo當(dāng)量為3.09，TA17鈦合金的Mo當(dāng)量為1.79，計算得到TC4/TA17異種鈦合金激光焊縫中Mo當(dāng)量為2.44，即為TC4鈦合金和TA17鈦合金的Mo當(dāng)量之和的均值。所以在激光焊接快速凝固過程，鈦合金的β相通過擴散型相變轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟倪^程來不及進行，而是通過切變相變發(fā)生晶格重構(gòu)形成α′馬氏體。

圖6 鈦合金激光焊接接頭焊縫XRD譜Fig.6 XRD pattern of weld metal of titanium alloy laser beam welded joints

TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織如圖7所示。由圖7a可知，TC4側(cè)靠近TC4母材的熱影響區(qū)A處顯微組織為α相+粒狀β相，相比于母材TC4鈦合金β相，A處β相數(shù)量增加；TC4側(cè)靠近焊縫的熱影響區(qū)B處顯微組織為殘余α相+針狀α′馬氏體，并且α′馬氏體尺寸小于焊縫中馬氏體尺寸。由圖7b可知，TA17側(cè)靠近焊縫的影響區(qū)C處顯微組織為殘余α相+片狀α′馬氏體。由圖7c可知，TA17側(cè)靠近母材TA17的熱影響區(qū)D處顯微組織為等軸α相+β相。這是因為近焊縫的熱影響區(qū)溫度較焊縫低，只有部分α相轉(zhuǎn)化β相，β相切變相變形成更細小的α′馬氏體；馬氏體相變屬于變溫轉(zhuǎn)變過程，其轉(zhuǎn)變量與冷卻時間無關(guān)，而是隨著冷卻速度的增加而增加，馬氏體的變長是馬氏體加厚的幾何結(jié)果[8]；越靠近焊縫中心的金屬，降溫速度越快，導(dǎo)致焊縫中馬氏體尺寸較熱影響區(qū)大，而近母材的熱影響區(qū)的組織仍為α+β，只是β相量相比于母材增加，這是由于近母材的熱影響區(qū)溫度屬于雙相區(qū)，低于馬氏體開始轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域，β相難以通過切變相變形成馬氏體，在相對高溫條件下，部分α相轉(zhuǎn)化為β相，導(dǎo)致β相增加。裂位置在TC4母材，TA17/TA17鈦合金激光焊接接頭拉伸斷裂位置在TA17母材，由此可見少量氣孔不會降低焊縫的拉伸力學(xué)性能。斷裂在TC4鈦合金斷口形貌和斷裂在TA17鈦合金斷口形貌如圖9所示，兩者都呈韌性斷裂特征，TA17鈦合金斷口韌窩尺寸遠大于TC4鈦合金，說明TA17鈦合金在形成韌窩過程中發(fā)生的塑性變形更為嚴重，其塑性更好。

圖7 TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織Fig.7 Microstructures of HAZ of TC4/TA17 laser beam welded joint

2.2 接頭力學(xué)性能

TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭顯微硬度分布如圖8所示。顯微硬度呈不對稱分布，焊縫的顯微硬度最高，TA17母材的顯微硬度最低，這是因為焊縫顯微組織為片狀α′馬氏體，α′馬氏體內(nèi)部的大量位錯起了位錯強化作用，α′馬氏體的顯微硬度大于α相的顯微硬度，而TC4母材中含有更多的固溶強化元素，所以TC4母材顯微硬度大于TA17母材顯微硬度。

鈦合金激光焊接接頭的拉伸性能如表2所示。TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭拉伸斷裂位置在TA17側(cè)，TC4/TC4鈦合金激光焊接接頭拉伸斷

4 結(jié)論

（1）TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭焊縫的顯微組織為片狀α′馬氏體；TC4側(cè)靠近母材的熱影響區(qū)和TA17側(cè)靠近母材的熱影響區(qū)顯微組織為α相+β相，只發(fā)生α相向β相轉(zhuǎn)變；TC4側(cè)靠近焊縫的顯微組織為殘余α相+針狀α′馬氏體；TA17側(cè)靠近焊縫的顯微組織為殘余α相+片狀α′馬氏體。

圖8 TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭顯微硬度Fig.8 Microhardness of TC4/TA17 laser beam welded dissimilar joint

表2 鈦合金激光焊接接頭的拉伸性能Table 2 Tensile strength of titanium alloy laser beam welded joints

圖9 鈦合金激光焊接接頭斷裂形貌。Fig.9 Fracture morphologies of titanium alloy laser beam welded joints

（2）TC4/TA17異種鈦合金激光焊接頭的顯微硬度呈不對稱分布，焊縫的顯微硬度最高，TA17母材顯微硬度最低。

（3）TA17/TA17、TC4/TC4鈦合金激光焊接接頭拉伸斷裂于母材，而TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭拉伸斷裂于TA17母材，TC4和TA17的拉伸斷口呈現(xiàn)韌性斷裂形貌，TA17鈦合金斷口韌窩尺寸遠大于TC4鈦合金斷口韌窩尺寸。

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Microstructure and mechanical properties of laser welded joints of dissimilar titanium alloy TC4/TA17

CHEN Yongcheng，ZHANG Yupeng，LUO Ziyi，HAN Shanguo，Khaskin Vladyslav
（Guangdong Welding Institute(China-Ukraine E.O.Paton Institute of Welding)，Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Guangzhou 510650，China）

The microstructure and mechanical properties of laser welded joints of dissimilar titanium alloy TC4 and TA17 are researched.The results show that the microstructure of weld consists of α'martensite，and there are only transformation fromα phase to β phase occurring in the heat affected zones close to the base metals on TC4 side and TA17 side.The heat affected zone close to the weld metal on TC4 side is characterized by retained α phase and acicular α′martensite，and on TA17 side is characterized by retained α phase and flake α′martensite.The microhardness of the welded joints distributes asymmetrically，the microhardness of the welds is the highest and the one of TA17 base metal is the lowest.The welded joints of dissimilar titanium alloys TC4/TA15 fracture in the TA17 base metal，and the fracture appears ductile fracture.

laser beam welding；titanium alloy；dissimilar joint；microstructure；mechanical properties

TG456.7

A

1001－2303（2017）11－0082-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.17

本文參考文獻引用格式：陳永城，張宇鵬，羅子藝，等.TC4/TA17異種鈦合金激光焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能[J].電焊機，2017，47（11）：82-86.

2017-06-02

廣東省引進創(chuàng)新科研團隊計劃資助項目（201101C0104901263）；廣東省科技計劃項目（2015A050502039）；廣東省科技計劃項目（2016B070701025）；國合科技項目（2015B050502008）；廣東省科技計劃項目（2017A010102008）

陳永城（1990—），男，碩士，主要從事激光焊接方面的研究。E-mail：sanchc@126.com。