不同焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金

邵 玲，崔恩紅

(1. 北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191)(2. 歌爾股份有限公司 理化實驗室，山東 濰坊 261031)

1 前 言

近些年鈦鋁合金由于其低密度及良好的力學性能，作為航空發(fā)動機部件應用的潛在材料而受到廣泛關注[1, 2]。在鈦鋁合金中，斜方晶系的Ti2AlNb基(O基)鈦金屬間化合物比Ti3Al基(α2基)和TiAl基(γ基)鈦金屬間化合物具有更好的熱機械加工性，更高的強度、斷裂韌性、室溫韌性和更低的熱膨脹系數(shù)，且Ti2AlNb基合金的蠕變和疲勞行為與Ti3Al基合金的相似[3-6]。由于Ti2AlNb基合金與傳統(tǒng)的鈦合金、鈦鋁合金相比，有優(yōu)越的綜合力學性能(高溫強度、蠕變阻力和韌性)，Ti2AlNb基合金吸引了眾多研究者[7]。

Ti-22Al-25Nb合金作為一種Ti2AlNb基合金，具有高強度和室溫及高溫下大的延伸率[4, 8]，因此人們對其進行了大量的研究[9]。Ti-22Al-25Nb合金可以通過各種各樣的焊接方法連接在一起，如擴散釬焊[10-13]、電子束焊[14-16]、攪拌摩擦焊[17]和激光焊[18, 19]。然而這些焊接方法連接Ti-22Al-25Nb合金時往往受到高成本或工件形狀的限制。本研究分別采用設備簡單、成本低及對工件形狀沒有特殊要求的脈沖鎢極惰性氣體(tungsten inert gas，TIG)焊接方法、活性劑鎢極惰性氣體(activated tungsten inert gas，A-TIG)焊接方法和超音頻脈沖TIG焊接方法對Ti-22Al-25Nb合金進行焊接。焊后對不同焊接接頭的顯微組織和力學性能分別進行表征和比較。

2 實驗材料及方法

本研究中用于焊接的材料為Ti-22Al-25Nb合金，其化學成分如表1所示。Ti-22Al-25Nb合金由O相和β/B2相兩相組成(如圖1所示)，基體是β/B2相，板條狀的相是O相。Ti-22Al-25Nb合金用三重真空熔煉爐進行重熔。重熔后的錠子先進行均勻化，再在β/B2相域鍛造成板狀，隨后進行空冷。鍛造后的Ti-22Al-25Nb合金板在1100 ℃下固溶處理2 h后水淬，接著在650 ℃下時效處理3 h后空冷。經(jīng)固溶和時效處理的Ti-22Al-25Nb合金板有良好的力學性能：抗拉強度為1035 MPa，屈服強度963 MPa，維氏顯微硬度1095 MPa。從板上切割下來用于焊接的試樣幾何尺寸為：長度130 mm，寬度30 mm和厚度1.5 mm。

表1 Ti-22Al-25Nb合金的化學成分

圖1 Ti-22Al-25Nb合金的顯微組織結構Fig.1 SEM image of the microstructure of Ti-22Al-25Nb alloy

在焊接之前先去除Ti-22Al-25Nb合金板試樣上的氧化層，用丙酮和酒精清洗試樣后再進行干燥。分別采用脈沖TIG焊接方法、A-TIG焊接方法和超音頻脈沖TIG焊接方法對Ti-22Al-25Nb合金板進行對接焊接，焊接參數(shù)見表2。焊接過程中，焊接板的背面沒有惰性氣體保護，焊炬的極性是直流電極正極性(direct current electrode positive, DCEP)。焊后，將焊接接頭沿著垂直于焊接方向采用線切割機切割成試樣。切割下來的試樣在顆粒粒徑為125、37.5、18.75、12.5、7.5和6 μm的SiC水砂紙上依次進行粗磨，再在絨布上依次用3和1 μm金剛石研磨液進行拋光。接著采用2 mL HF、2 mL HNO3和80 mL蒸餾水混合液對試樣進行腐蝕，再分別用丙酮和酒精清洗試樣并干燥。采用Keyence VHX-500F數(shù)顯光學顯微鏡(optical microscope, OM)觀察試樣顯微組織。

表2 采用不同焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金的焊接參數(shù)

本研究中所有力學性能的測試都在室溫下進行。讓焊縫座落在標距的中間，垂直于焊縫的焊接方向使用線切割機切下標距寬度3 mm、標距長度15 mm和標距厚度1.5 mm的Ti-22Al-25Nb合金狗骨頭形狀試樣。標距區(qū)域采用顆粒粒徑為18.75 μm的SiC水砂紙沿載荷方向去除線切割時留下的切痕以達到光滑的表面。狗骨頭形狀試樣在CRIMS RPL-001萬能測試儀上用位移控制模式進行軸向拉伸測試，位移速率為0.2 mm·min-1。Hitachi UHR CFE SU8230掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)用于觀察拉伸斷口形貌。維氏顯微硬度的測量在Wilson Instruments 402 MVD維氏顯微硬度計上進行，最大載荷為500 g，保值時間為10 s。本文中給出的維氏顯微硬度值是3次測量值的平均值。

3 結果和討論

3.1 脈沖TIG焊接

Ti-22Al-25Nb合金脈沖TIG焊接分別采用8和50 Hz的焊接頻率。不同焊接頻率下獲得的焊接接頭的橫截面如圖2所示。從圖2可見，焊縫邊緣的柱狀晶整齊地朝向熔合區(qū)伸長。在熔合區(qū)，柱狀晶很少。在熱影響區(qū)，晶界嚴重的過燒，尤其在熱影響區(qū)的根部。熱影響區(qū)中的晶粒是最大的，最大的晶粒尺寸大約為200 μm。此外，焊接接頭中的層狀偏析明顯。相較于8 Hz焊接頻率下的焊接接頭(圖2a)，50 Hz焊接頻率下的焊接接頭(圖2b)中熔合區(qū)的深度較大且寬度較窄。對于過燒現(xiàn)象，8 Hz焊接頻率下焊接接頭的過燒比50 Hz焊接頻率下的嚴重。因此，Ti-22Al-25Nb合金脈沖TIG焊接的焊接接頭在一定的焊接頻率范圍內(nèi)較高頻率下形成的顯微組織優(yōu)于較低頻率下形成的顯微組織，且較高頻率下形成的缺陷少于較低頻率下形成的缺陷。

圖2 不同焊接頻率下使用脈沖TIG焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金對接接頭的顯微組織：(a)f =8 Hz，(b)f=50 HzFig.2 Microstructure of the weld joints of Ti-22Al-25Nb alloy using pulse TIG welding method at different welding frequencies: (a) f =8 Hz, (b) f =50 Hz

3.2 A-TIG焊接

活性化劑MnCl2用于Ti-22Al-25Nb合金的A-TIG焊接。圖3展示了A-TIG焊接接頭的橫截面。與脈沖TIG焊接接頭相比較，A-TIG焊接接頭在焊接過程中完全焊透，且在熔合區(qū)的柱狀晶是無序排列的。這表明，活性化劑影響了熔池中液態(tài)金屬的結晶過程。

圖3 A-TIG焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金對接接頭的顯微組織Fig.3 Microstructure of the butt joints of Ti-22Al-25Nb alloy using A-TIG welding method

圖4 超音頻脈沖TIG焊接方法在50 kHz焊接頻率下焊接Ti-22Al-25Nb合金對接接頭的顯微組織Fig.4 Microstructure of the butt joint of Ti-22Al-25Nb alloy using ultrasonic pulse frequency TIG welding method at 50 kHz welding frequency

3.3 超音頻脈沖TIG焊接

Ti-22Al-25Nb合金超音頻脈沖TIG焊接在50 kHz焊接頻率下進行。焊接接頭的橫截面如圖4所示。焊接接頭中的熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成，并朝向焊縫中心生長。在柱狀晶中胞狀晶沿著熔合線生長，局部區(qū)域中也有樹枝狀晶。此外，在焊縫中心有一小塊區(qū)域是等軸晶，且在熱影響區(qū)附近沒有明顯的晶界過燒現(xiàn)象。

3.4 拉伸性能

使用不同焊接方法獲得的Ti-22Al-25Nb合金焊接接頭抗拉強度如表3所示。超音頻脈沖TIG焊接接頭的抗拉強度顯著高于脈沖TIG焊接接頭和A-TIG焊接接頭。脈沖TIG焊接接頭的斷口幾乎是平坦的(如圖5a～5d所示)，斷口上有許多小的解理面。脈沖TIG焊接接頭的斷裂機制是脆性穿晶解理斷裂和柱狀晶間斷裂。因為在8 Hz焊接頻率下的脈沖TIG焊接接頭中有一些大尺寸的氣孔，其抗拉強度低于50 Hz焊接頻率下的脈沖TIG焊接接頭。A-TIG焊接接頭的斷裂機制是脆性穿晶解理斷裂(圖5e和5f)。從圖5f可見，在A-TIG焊接接頭的斷面上有明顯起伏的解理面和撕裂棱。在50 kHz焊接頻率下的超音頻脈沖TIG焊接接頭的斷裂機制是脆性穿晶解理斷裂和韌窩斷裂的混合模式(圖5g和5h)。

表3不同焊接方法獲得Ti-22Al-25Nb合金焊接接頭的抗拉強度

Table3UltimatestrengthoftheweldjointsofTi-22Al-25Nballoyusingdifferentweldingmethods

Welding methodUltimate strength / MPaPulse TIG welding(8 Hz)109Pulse TIG welding(50 Hz)185A-TIG welding705Ultrasonic pulse frequency TIG welding906

圖5 Ti-22Al-25Nb合金使用不同焊接方法獲得的對接接頭的斷口形貌：脈沖TIG焊接在8 Hz焊接頻率下(a, b)，脈沖TIG焊接在50 Hz焊接頻率下(c, d)，A-TIG焊接(e, f)，超音頻脈沖TIG焊接在50 kHz焊接頻率(g, h)Fig.5 Fracture morphology of the weld joints of Ti-22Al-25Nb alloy using different welding methods: pulse TIG welding at 8 Hz welding frequency(a, b); pulse TIG welding at 50 Hz welding frequency (c, d); A-TIG welding(e,f); ultrasonic pulse frequency TIG welding at 50 kHz welding frequency (g, h)

3.5 顯微硬度

圖6給出了不同焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金所獲得的焊接接頭中顯微硬度的分布。從圖6可見，脈沖TIG焊接接頭和A-TIG焊接接頭中的顯微硬度分布規(guī)律是一致的。從熔合區(qū)到熱影響區(qū)顯微硬度增加，且從熱影響區(qū)到母材顯微硬度繼續(xù)增加。而超音頻脈沖TIG焊接接頭的顯微硬度從熔合區(qū)到熱影響區(qū)增加，從熱影響區(qū)到母材逐漸減小。整體來看，超音頻脈沖TIG焊接接頭中各區(qū)域的顯微硬度高于脈沖TIG焊接接頭和A-TIG焊接接頭中不同區(qū)域的顯微硬度。這也是為什么超音頻脈沖TIG焊接接頭的抗拉強度最高的原因。

圖6 不同焊接方法獲得Ti-22Al-25Nb合金的對接接頭中顯微硬度的分布Fig.6 Microhardness distribution in the butt joints of of Ti-22Al-25Nb alloy using different welding methods

4 結 論

脈沖TIG焊接，A-TIG焊接和超音頻脈沖TIG焊接3種不同焊接方法分別用于焊接Ti-22Al-25Nb合金。為了解哪種方法最適合Ti-22Al-25Nb合金的焊接，分別進行顯微組織觀察，拉伸性能測試和顯微硬度測量。從本研究可以得出如下的結論：

(1)采用超音頻脈沖TIG焊接方法焊接Ti-22Al-25Nb合金，可以獲得無缺陷的焊接接頭。

(2)Ti-22Al-25Nb合金超音頻脈沖TIG焊接接頭的抗拉強度高于脈沖TIG焊接接頭和A-TIG焊接接頭的抗拉強度。

(3)從整體來看，超音頻脈沖TIG焊接接頭中不同區(qū)域的顯微硬度高于脈沖TIG焊接接頭和A-TIG焊接接頭中不同區(qū)域的顯微硬度。