TC4鈦合金絲材焊件沖擊失效分析

張飛奇,車(chē) 偉,孫寶洋,李晗嫣,蒲 宣,胡宗式

(1.咸陽(yáng)天成鈦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712046)(2. 西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引 言

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕以及生物相容性好等眾多優(yōu)點(diǎn)，不僅被廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、醫(yī)療等高端領(lǐng)域[1-4]，而且逐漸進(jìn)入人們的日常生活中，如轎車(chē)零部件、眼鏡架及餐具等[5-7]。TC4鈦合金是應(yīng)用最為廣泛的一種α+β型鈦合金，具有高的強(qiáng)度、塑性、韌性以及良好的焊接性能，其絲材可用于制作結(jié)構(gòu)架、加固筋、安全防護(hù)架等構(gòu)件。鈦合金絲材通常采用焊接方式進(jìn)行連接，包括鎢極氬弧焊、等離子焊接、激光焊接、電子束焊接等[8-11]，其共同特點(diǎn)是鈦合金焊接時(shí)具有局部高溫、快速冷卻等特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致材料焊接處組織與性能變差。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了多種焊接方式的相關(guān)研究，如Balasubramanian等[12]研究了鎢極氬弧焊對(duì)α+β型鈦合金組織與性能的影響，闡述了沖擊韌性與晶粒大小成反比關(guān)系；Cao等[13]利用YAG激光焊接方法焊接Ti-6Al-4V合金，發(fā)現(xiàn)其焊合區(qū)域存在大量馬氏體，使得材料局部塑性下降，變脆變硬；王海等[14]對(duì)TC4鈦合金絲材進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)焊后材料晶粒粗大，呈現(xiàn)脆性。然而，對(duì)于鈦合金絲材的新興應(yīng)用——焊接防護(hù)架的性能研究鮮有報(bào)道，而其塑性、韌性對(duì)于防護(hù)效果十分關(guān)鍵，直接涉及到人身安全。因此，本研究通過(guò)鎢極氬弧焊接工藝制備TC4鈦合金防護(hù)架，對(duì)其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分析沖擊性能及失效原因，為鈦合金防護(hù)架的制備提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

以咸陽(yáng)天成鈦業(yè)有限公司提供的φ4.76 mm TC4鈦合金絲材為原材料，其化學(xué)成分及力學(xué)性能分別見(jiàn)表1及表2。將絲材彎曲，用鎢極氬弧焊工藝焊接得到防護(hù)面罩骨架。將鈦合金骨架防護(hù)面罩平放在沖擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用錘頭(質(zhì)量為200 kg)以30 m/s的速度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，如圖1所示。

表1 TC4鈦合金絲材的化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy wire

表2 TC4鈦合金絲材的室溫力學(xué)性能

Table 2 Mechanical properties of TC4 titanium alloy wire at room temperature

圖1 沖擊試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the impact test： (a)top view；(b)front view

從TC4鈦合金焊件沖擊斷裂位置截取金相試樣，采用OLYMPUS-GX71型倒置金相顯微鏡對(duì)其組織進(jìn)行觀察。金相腐蝕液配比為V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=2∶4∶94，腐蝕時(shí)間約10 s。采用XRD-7000型X射線衍射儀對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行物相分析，測(cè)試條件:銅靶Kα線(λ=0.154 06 nm)，掃描速度8°/min，掃描范圍2θ取20°～90°。采用TUKON 2100型顯微維氏硬度測(cè)量?jī)x進(jìn)行硬度測(cè)量，測(cè)試點(diǎn)間距為0.2 mm，測(cè)量載荷為50 g，加載時(shí)間為30 s。采用WEW-300D萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)TC4鈦合金絲材進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)中將絲材兩端固定在支輥上，采用R15壓頭，向下施加載荷，直至絲材斷裂。采用TESCAN VEGA3XMU掃描電子顯微鏡觀察焊件及彎曲試樣的斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

圖2為沖擊試驗(yàn)后TC4鈦合金焊件的照片。從圖中可以看出，沖擊試驗(yàn)共造成焊件產(chǎn)生6處斷裂，其中有5處斷裂位于焊接處，這表明焊接處的塑性、韌性相較于其他部位有所降低。圖3是TC4鈦合金絲材焊件的焊接部位經(jīng)拋光腐蝕后的宏觀形貌，可以看出接頭與母絲材存在明顯的宏觀組織差異，包括3個(gè)區(qū)域，即焊合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)[15]。

圖2 沖擊試驗(yàn)后焊件的照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the weldment after impact experiment

圖3 TC4鈦合金絲材焊接部位照片F(xiàn)ig.3 Photograph of the TC4 titanium alloy wire in welding joint

圖4分別為T(mén)C4鈦合金焊件焊合區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)的金相照片。從圖中可以看出，焊合區(qū)域組織為原始β晶上分布著針狀馬氏體相(圖4a)，熱影響區(qū)域多為β轉(zhuǎn)變組織(圖4b)，母材區(qū)域?yàn)榧?xì)小等軸α組織+少量β相(圖4c)。焊合區(qū)域針狀鈦馬氏體相是由于快速加熱及冷卻造成的，當(dāng)從β晶向α晶轉(zhuǎn)變速度過(guò)快，合金中的元素來(lái)不及進(jìn)行擴(kuò)散便會(huì)形成馬氏體。鈦合金中常見(jiàn)的馬氏體有斜六方體結(jié)構(gòu)α′相和斜方體結(jié)構(gòu)α″相2種，這2種相對(duì)材料性能的影響有所不同，α′相較α″相具有更高的強(qiáng)度和脆性，然而2種鈦馬氏體形貌差別不明顯[16]，有必要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。熱影響區(qū)域β轉(zhuǎn)變組織較多，這是因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域的冷卻速率相對(duì)較小，β相可進(jìn)行有效轉(zhuǎn)變。

圖4 TC4鈦合金焊件不同部位的金相照片F(xiàn)ig. 4 Metallographs of the TC4 titanium alloy weldment in different zones ：(a)fusion zone；(b)heat effect zone；(c)base metal

圖5為T(mén)C4鈦合金焊件焊合區(qū)域的XRD圖譜。從圖中可以看出，焊合區(qū)域出現(xiàn)了α′(002)、α′(100)、α′(101)、α′(102)、α′(110)、α′(200)、α′(112)、α′(201)、α′(004)等斜六方結(jié)構(gòu)的衍射峰，同時(shí)也出現(xiàn)了α″(113)斜方結(jié)構(gòu)的衍射峰，以及ω(101)密排六方結(jié)構(gòu)的衍射峰。焊縫處快速冷卻產(chǎn)生了α′及α″馬氏體，且α′相更為明顯，這是因?yàn)殁伜辖鹬旭R氏體相的存在形式主要與β穩(wěn)定元素有關(guān)，當(dāng)β穩(wěn)定元素含量低時(shí)更多發(fā)生α′轉(zhuǎn)變，β穩(wěn)定元素多時(shí)，更多發(fā)生α″轉(zhuǎn)變[17-18]。TC4鈦合金屬于β相穩(wěn)定元素較少的合金，所以會(huì)更多地發(fā)生α′轉(zhuǎn)變，而斜六方結(jié)構(gòu)的α′相滑移面較少，致使材料塑性、韌性降低，強(qiáng)度、硬度升高。

圖5 TC4鈦合金絲材焊合區(qū)域的XRD圖譜Fig.5 XRD pattern of the TC4 titanium alloy wire in welding joint

圖6為焊接處不同區(qū)域的顯微維氏硬度。從圖中可以看出，焊合區(qū)的硬度最高，其次是母材，熱影響區(qū)硬度最低，各區(qū)域的硬度平均值分別為5.5、3.0、3.7 GPa。焊合區(qū)域的顯微維氏硬度明顯偏高，這是由于此區(qū)域存在大量的馬氏體α′相，其滑移面少，在變形過(guò)程中對(duì)位錯(cuò)起到了釘扎效應(yīng)，使得該區(qū)域硬度升高。

圖6 TC4鈦合金絲材焊件不同區(qū)域的顯微硬度Fig.6 Microhardness of the TC4 titanium alloy weldment in different zones

圖7為T(mén)C4鈦合金彎曲試樣及焊件的斷口形貌。從圖中可以看出，TC4鈦合金絲材彎曲試樣斷口周邊存在 45°的剪切唇，有頸縮現(xiàn)象(圖7a)，為韌性斷裂。而焊件斷口平齊且?guī)缀鯚o(wú)頸縮現(xiàn)象(圖7c)，呈典型的脆性斷裂特征。從圖7d可以看出，斷口存在河流狀解理臺(tái)階，為準(zhǔn)解理斷裂。由于焊接處馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)與基體不一致，當(dāng)位錯(cuò)到達(dá)馬氏體附近時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量位錯(cuò)塞積，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到極限，便會(huì)發(fā)生脆性斷裂，從而形成解理臺(tái)階。

從以上分析可以看出，TC4鈦合金絲材焊接過(guò)程產(chǎn)生的馬氏體是導(dǎo)致焊件沖擊性能降低并發(fā)生脆性斷裂的主要原因，因此必須對(duì)焊件進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，以消除馬氏體的影響。

圖7 TC4鈦合金絲材彎曲試樣及焊件斷口形貌 Fig.7 Fractographs of TC4 titanium alloy wire bending sample and weldment：macrostructure(a) and microstructure (b) of bending sample；macrostructure(c) and micro- structure(d) of weldment

3 結(jié) 論

(1)TC4鈦合金絲材焊件在快熱及快冷焊接熱循環(huán)作用下，由中心焊接處到母材呈由高到低的溫度梯度，使得形成的組織呈現(xiàn)梯度性，即焊合區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)。

(2)焊合區(qū)域存在馬氏體相，該馬氏體相主要以α′相形式存在，并有少量的α″相。斜六方結(jié)構(gòu)的α′相滑移面少，使得焊合區(qū)域的局部顯微維氏硬度平均值達(dá)5.5 GPa，是母材區(qū)域硬度值的近1.5倍。

(3)焊件斷口平齊且?guī)缀鯚o(wú)頸縮現(xiàn)象，存在河流狀解理臺(tái)階，為脆性斷裂。

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