新型Ti-650合金電子束焊接頭組織及性能研究

李昌健，劉 昕，雷永平

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124；2.北京航空制造工程研究所，北京 100024)

Ti-Al系高溫鈦合金具有抗腐蝕，高比強(qiáng)度，耐高溫等優(yōu)異的性能，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的研究材料[1]．目前比較成熟的高溫鈦合金主要有幾種：國外有，英國研制的IMI834鈦合金，已經(jīng)在Trent700，EJ200 和PW350 等發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用，某渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)離心葉輪也選用了IMI834 合金[2]；美國開發(fā)的Ti1100合金，在萊康明公司T55-712改型發(fā)動(dòng)機(jī)上也獲得應(yīng)用[3]；俄羅斯研制的BT18y，也已經(jīng)在AL-31 發(fā)動(dòng)機(jī)上大量應(yīng)用[4]；國內(nèi)有，西北有色研究院研制的Ti600，中科院金屬所設(shè)計(jì)的Ti60，北京航空材料研究院開發(fā)的TG6等．已有的Ti-Al系高溫鈦合金推薦使用溫度都在600 ℃或者以內(nèi)，對(duì)于更高的使用溫度的此類鈦合金未見報(bào)道．電子束焊接具有高能量密度，成形好，總熱輸入少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鈦合金的焊接[9-12]．關(guān)于已有的耐550 ℃和耐600 ℃高溫鈦合金焊接的研究資料不多[13-15]．王濤等[16]對(duì)Ti600合金展開了電子束焊接接頭的組織及力學(xué)性能研究，結(jié)果表明焊縫組織為針狀α，馬氏體，焊縫處硬度大于母材，室溫拉伸強(qiáng)度與母材等強(qiáng)．而對(duì)于耐650 ℃高溫鈦合金的電子束焊接還缺乏相應(yīng)的研究．本文所使用材料為一種新研制的耐650 ℃使用的Ti-Al系高溫鈦合金，目前關(guān)于此類材料電子束焊接性能研究較少．對(duì)此，本研究采用電子束對(duì)該材料進(jìn)行了焊接，并對(duì)接頭力學(xué)性能和高溫持久性能進(jìn)行了測定，獲得了該合金母材和焊接接頭的組織、基本力學(xué)性能和持久性能特點(diǎn)．這對(duì)于該合金焊接性的研究具有積極的意義．

1 實(shí) 驗(yàn)

被焊材料為一種新研制的耐650 ℃使用的高溫鈦合金，該合金的化學(xué)成分如表1所示，焊接板材尺寸約為200 mm×20 mm×13 mm．焊接在ZD150-15A高壓型電子束焊機(jī)上進(jìn)行，焊前先用鋼絲刷打磨試樣表面，去除氧化膜，然后用酸清洗，酒精擦拭，去除油污和雜質(zhì)．將板材固定在工作臺(tái)上進(jìn)行焊接，焊接位置為板材中部，焊接方向沿垂直軋制方向．所選用的焊接參數(shù)如圖表2所示．

表1 合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

表2 電子束焊接參數(shù)

在馬沸爐中進(jìn)行雙重退火(1 000 ℃/1 hAC+700 ℃/4 hAC)處理，使材料的再結(jié)晶充分進(jìn)行和β相的充分分解，保證材料組織的穩(wěn)定性．電子束焊接及熱處理后材料如圖1所示，拉伸試樣加工保證焊縫在試樣的中心位置，拉伸試驗(yàn)在INSTRON5985電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上完成，拉伸速率為3 mm/min；金相試樣包含焊縫與母材，經(jīng)打磨和拋光后，用1%HF+2%HNO3+H2O腐蝕試劑腐蝕，然后在LEICA DM6000M型光學(xué)顯微鏡下觀察．采用HXD1000型硬度測試儀對(duì)接頭進(jìn)行顯微硬度測試．持久試驗(yàn)在CTM1507電子式高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,加載速率為0.01 mm/min．拉伸試驗(yàn)和持久試驗(yàn)完成后，用線切割把試樣斷口切下，切面打磨，超聲清洗后在QUANTA FEG 250型場發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察斷口形貌．

圖1 電子束焊接試板

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭的顯微組織與顯微硬度

圖2為接頭在1 000 ℃/1 hAC+700 ℃/4 hAC熱處理后的顯微組織．母材組織如圖2(a)所示，長條狀和等軸的α相交錯(cuò)排列，少量的β相,以及在相界上有大量的細(xì)小α相，細(xì)小α相是材料在1 000 ℃保溫1 h發(fā)生再結(jié)晶而形成的．熱影響區(qū)和焊縫的組織與母材組織類似，如圖2(b)、(c)所示，由交錯(cuò)排列的α相、β相和細(xì)小的再結(jié)晶α相構(gòu)成．熱影響區(qū)和焊縫的組織的相更加細(xì)小，主要是因?yàn)榇藷崽幚碇贫认?，組織中α相只發(fā)生了轉(zhuǎn)變，幾乎沒有長大，從而其形狀在一定程度上維持了原有的因電子束焊接形成的馬氏體相的細(xì)針狀．母材、熱影響區(qū)和焊縫硬度沒有明顯的差異，均介于(440～490)HV，如圖3所示．主要是因?yàn)槟覆摹嵊绊憛^(qū)和焊縫的顯微組織成分較為均勻，故其顯微硬度也無顯著差別．

2.2 拉伸性能

圖4為材料在25和650 ℃條件下的抗拉強(qiáng)度．25 ℃下，母材和接頭的抗拉強(qiáng)度均大于1 000 MPa；650℃下，母材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了750 MPa，而接頭的抗拉強(qiáng)度在700 MPa以下．25 ℃下接頭與母材的抗拉強(qiáng)度顯著大于650 ℃下接頭與母材的抗拉強(qiáng)度，相關(guān)研究表明這主要是由于鈦合金在高溫拉伸過程中會(huì)發(fā)生回復(fù)[17-18]，從而降低了材料抗拉強(qiáng)度．

圖2 母材顯微組織

Fig.2 Microstructure of (a) base metal，(b) heat affected zone, (c) fusion zone

圖3 接頭的顯微硬度

圖5為材料在25和650 ℃條件下的延伸率．25 ℃下接頭和母材的延伸率均介于7%～10%；650 ℃下接頭延伸率在10%～14%，母材則表現(xiàn)出良好的塑性，其延伸率最高達(dá)20%．圖6為母材試樣不同溫度下的拉伸斷口形貌．25 ℃下拉伸斷口較為平整，幾乎無頸縮，很小面積的纖維區(qū)，大面積的擴(kuò)展區(qū)，表明其塑性較差；650 ℃下試樣發(fā)生了明顯的緊縮，斷口具有較大面積的纖維區(qū)，這表明其塑性較好．

圖4 接頭與母材的抗拉強(qiáng)度

圖5 接頭與母材的延伸率

圖6 母材試樣斷口形貌

2.3 持久性能

圖7所示為650 ℃下材料焊接接頭和母材在不同應(yīng)力下的持久壽命．150 MPa的應(yīng)力下接頭和母材的持久壽命均大于200 h，母材的持久壽命比接頭高30 h以上．應(yīng)力的增加到200 MPa時(shí)，接頭和母材的持久壽命均迅速下降至100 h以下，且差距逐漸減?。?dāng)應(yīng)力增加到300 MPa，接近抗拉強(qiáng)度的50%，接頭和母材的持久壽命下降至15 h以下，差距進(jìn)一步減小，母材持久壽命比接頭略高．將接頭和母材的持久壽命和應(yīng)力作出雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)并擬合，如圖8所示．圖8可看出在650 ℃下，接頭和母材的持久壽命和應(yīng)力成直線關(guān)系，關(guān)系式如下：

母材：lgT=12.3-4.61gσ

接頭：lgT=11.8-4.31gσ

式中:T是持久斷裂時(shí)間；σ為應(yīng)力．由上述兩個(gè)方程式可預(yù)測出材料在650 ℃下，某應(yīng)力的持久壽命．

圖7 接頭與母材不同應(yīng)力下的持久壽命

Fig.7 Creep rupture life of welding joints and base metal under different stresses

圖8母材與接頭不同應(yīng)力下的持久壽命雙對(duì)數(shù)曲線

Fig.8 Double logarithmic curves of creep rupture life of welding joints and base metal under different stresses

2.4 持久試樣斷口和持久延伸率

為了進(jìn)一步理解合金持久性能，對(duì)斷裂后的試樣進(jìn)行了內(nèi)部組織及其斷口的SEM分析．圖9、10分別是650 ℃、300 MPa應(yīng)力下母材和接頭持久試樣斷口附近內(nèi)部的SEM形貌．水平方向?yàn)槌志迷囼?yàn)的施加應(yīng)力方向．母材的晶粒粗大，斷口附近發(fā)生了明顯的頸縮，如圖9(a)所示；接頭的斷口附近也發(fā)生了輕微的頸縮，如圖10(a)所示．試樣中部沒有發(fā)生緊縮，也沒有形成孔洞，如圖9(b)、10(b)所示．母材與接頭的試樣斷口附近區(qū)域出現(xiàn)了孔洞，且部分孔洞已經(jīng)相連，如圖9(c)、10(c)所示．圖11所示為材料在650 ℃、300 MPa應(yīng)力下持久試樣斷口形貌．母材斷口周圍有由于頸縮變形導(dǎo)致的波紋狀形貌，如圖11(a)所示；斷口中存在大量的孔洞，如圖11(b)所示．接頭試樣持久拉伸斷裂于焊縫，斷口較為平整，且呈現(xiàn)出焊縫中的柱狀晶斷裂形成的突起形貌，且有明顯的沿柱狀晶界擴(kuò)展的二次裂紋，有較窄的剪切唇，斷口中孔洞較少，如圖11(c)、(d)所示．圖12所示為母材和接頭試樣斷裂后的延伸率，可看出母材的持久延伸率明顯高于接頭的持久延伸率．

圖9 母材持久試樣內(nèi)部形貌(a)金相試樣；(b)中部；(c)斷口附近

Fig.9 Internal morphology of base metal after endurance test: (a)macro-morphology, micro-morphology; (b) central;(c) near the fracture

上述結(jié)果表明：在650 ℃下持久試驗(yàn)條件下，接頭與母材試樣在應(yīng)力作用下會(huì)形成孔洞，隨著試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，孔洞最終連接，形成微裂紋，隨后在力的作用下不斷擴(kuò)展，直至最終斷裂．高溫下晶界發(fā)生弱化，母材中晶粒粗大，晶界在斷裂過程中影響較少，而接頭中柱狀晶的晶界則為裂紋的擴(kuò)展提供了便利，這可能是母材和接頭試樣的裂紋不同方式是延伸率差異的原因．母材與接頭斷口形貌差異是由于其組織形貌差異造成的，母材屬于軋制組織的持久斷裂，而接頭屬于焊縫凝固組織的持久斷裂．

圖10 接頭持久試樣內(nèi)部形貌(a)金相試樣；(b)中部；(c)斷口附近

Fig.10 Internal morphology of welding joint after endurance test: (a)macro-morphology, micro-morphology; (b) central; (c) near the fracture

圖11 持久斷口形貌,母材(a)低倍，(b)高倍；接頭(c)低倍，(d)高倍

Fig.11 Fracture morphology after endurance test, base metal: (a) low magnification; (b) high magnification;welding joint; (c) low magnification; (d) high magnification

圖12 持久試驗(yàn)斷裂延伸率

3 結(jié) 論

研究了一種新型耐650 ℃使用的高溫鈦合金電子束焊后的顯微組織、拉伸性能和持久性能．結(jié)論如下：

1)焊接接頭經(jīng)焊后1 000 ℃/1 hAC+700 ℃/4 hAC熱處理，可獲得均勻的組織形貌，其組織組成為α相和少量β相，以及大量細(xì)小的再結(jié)晶α相組成的混合組織．

2)接頭中母材、熱影響區(qū)和焊縫的顯微硬度值較均勻，介于440～490HV之間．

3)25 ℃拉伸，母材和接頭的抗拉強(qiáng)度均高于1 000 MPa，延伸率均介于7%～10%；650 ℃拉伸，母材抗拉強(qiáng)度達(dá)到了750 MPa，延伸率最高達(dá)20%；接頭的抗拉強(qiáng)度在700 MPa以下，延伸率在10%～14%．

4)母材的持久壽命比接頭的長，分別得出了650 ℃下，接頭和母材應(yīng)力壽命預(yù)測關(guān)系式．接頭與母材的持久斷裂均是由孔洞聚集形成微裂紋，在力的作用下不斷擴(kuò)展，直至最終斷裂．接頭中柱狀晶的晶界促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展．