Ti2AlNb合金電子束焊接在航空發(fā)動機機匣中的應(yīng)用

李祚軍，田 偉，李晉煒，鐘 燕

(1.中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，成都 610500；2.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024)

1 引言

Ti2AlNb 合金具有密度低、比強度高、抗氧化性能好等優(yōu)點，長期工作溫度可達650～700℃，能夠部分替代鎳基高溫合金用于制造航空發(fā)動機機匣等構(gòu)件[1-3]。Ti2AlNb 合金大型構(gòu)件制造時必須采用焊接工藝，以實現(xiàn)構(gòu)件的整體化、輕量化，并能降低鍛件毛坯的體積和成型難度，提高材料利用率[4]。Ti2AlNb 的合金化程度高，塑性較低，對環(huán)境因素的影響特別敏感，適宜采用高能量密度的電子束焊接或激光焊接[5-8]。

國內(nèi)外研究人員針對Ti2AlNb 合金電子束焊開展了相應(yīng)的研究工作。David 等[9]比較了Ti2AlNb 合金板材的電子束焊，發(fā)現(xiàn)電子束焊的熔合區(qū)和熱影響區(qū)的顯微硬度高于母材區(qū)。陳瑋等[10]對Ti2AlNb合金板材進行了電子束焊接研究，確定了不同厚度板材的焊接參數(shù)。程云君等[11]研究了Ti2AlNb 合金板材電子束焊接顯微組織和力學性能。陳禹錫等[12]研究了經(jīng)噴丸強化處理后Ti2AlNb 材料表層殘余應(yīng)力的分布特征，并預(yù)測了殘余應(yīng)力對材料疲勞性能的影響規(guī)律。張欽差等[1]在實驗溫度為750～950℃、應(yīng)變速率為0.100～0.001 s-1下進行Ti2AlNb合金高溫拉伸性能實驗，研究了溫度和應(yīng)變速率對其抗拉強度和伸長率的影響，建立了高溫變形條件下的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型。國內(nèi)對Ti2AlNb合金的研究主要集中在材料的組織性能以及材料制備上，鮮有關(guān)于Ti2AlNb合金零件工程應(yīng)用方面的報道。

本文以先進航空發(fā)動機燃燒室機匣為應(yīng)用對象，開展了Ti2AlNb 合金電子束焊接技術(shù)應(yīng)用研究。分析了焊接工藝參數(shù)對焊縫成型質(zhì)量的影響，研究了焊接接頭組織、力學性能和斷口形貌，焊接了Ti2AlNb合金機匣并開展了考核驗證。

2 材料和實驗方法

實驗用Ti2AlNb 合金由中國科學院金屬研究所研制，名義成分見表1。Ti2AlNb 合金的毛坯類型為環(huán)軋鍛件，焊接之前經(jīng)過了固溶處理(制度為980℃/2 h/空冷)。

表1 Ti2AlNb合金名義成分Table 1 The nominal composition of Ti2AlNb alloy

電子束焊接前對焊接接口進行機械加工，保證焊接裝配間隙小于0.1 mm。采用無水乙醇或丙酮擦拭接口表面去除油污等污物，再對表面進行機械打磨處理，直至露出金屬本色并使表面粗糙度Ra≤1.6 μm。焊接實驗過程中，適當調(diào)整焊接參數(shù)(包括聚焦電流、焊接電流、焊接速度等)，以獲得穿透性的成形焊縫。焊接后的焊縫按照HB 5484-1991[13]的要求進行X射線探傷檢驗，確定焊縫內(nèi)部是否存在裂紋、未焊透、未熔合及超標的氣孔和夾渣等缺陷，檢驗合格的焊縫內(nèi)部質(zhì)量應(yīng)滿足Ⅰ級焊縫的質(zhì)量要求。

對質(zhì)量檢驗合格的焊接試件進行時效熱處理(制度為(850～980)℃/24 h/空冷或緩冷)，然后切取試樣，測試焊接接頭的化學成分、顯微組織和力學性能。采用氫測定儀對母材和焊縫的氫元素含量進行分析，采用掃描電鏡及其能譜儀對焊縫四個部位的鋁元素進行分析。參照GB/T 228.1-2010[14]測試室溫拉伸性能，參照GB/T 4338-2006[15]測試650℃拉伸性能，參照GB/T 2039-2012[16]測試持久性能(650℃、360 MPa)，參照GB/T 15248-2008[17]測試室溫低循環(huán)疲勞性能(應(yīng)力比R=0.1、頻率f=2 Hz)。采用光學顯微鏡和掃描電鏡測試焊縫的顯微組織，采用掃描電鏡對力學性能實驗后的試樣進行斷口分析。

對兩件電子束焊接的Ti2AlNb 合金機匣分別進行壓力實驗和低循環(huán)疲勞實驗。實驗溫度為室溫，在機匣內(nèi)部充水以施加腔壓。壓力實驗時的腔壓分別為2.5～3.0、4.5～5.0、5.5～6.0、7.0～7.5、8.0～8.5、9.5～10.0 MPa，每個腔壓下的保載時間均為5 min。低循環(huán)疲勞實驗時峰值腔壓為5.0 MPa，谷值腔壓為0.1 MPa，峰值腔壓下的保載時間為30 s，低循環(huán)疲勞實驗的循環(huán)次數(shù)為3 000 次。完成壓力實驗和低循環(huán)疲勞實驗后，對焊縫進行著色檢查和尺寸檢查。

3 焊縫主要成分和組織性能分析

經(jīng)優(yōu)化焊接工藝，Ti2AlNb合金焊縫可實現(xiàn)雙面成形，無焊瘤、咬邊等外觀缺陷。經(jīng)X射線探傷和熒光滲透檢驗，焊縫質(zhì)量滿足Ⅰ級焊縫要求。

3.1 焊縫主要化學成分分析

對焊縫中的元素含量進行測試分析，重點關(guān)注了氫(H)元素和鋁(Al)元素。其主要原因是：氫元素含量升高，極易導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氫脆及延遲裂紋；鋁元素是保證Ti2AlNb合金熱強性的主要合金元素，其熔點較低且在母材中含量很高，焊接過程中容易蒸發(fā)和燒損，進而影響焊接接頭的力學性能。測試發(fā)現(xiàn)，焊縫處的氫含量為0.002 1%(質(zhì)量百分比，下同)，Ti2AlNb 合金母材的氫含量為0.002 0%。這一結(jié)果表明：電子束焊接后Ti2AlNb 合金焊縫吸氫不明顯，氫含量在正常值范圍內(nèi)波動。圖1給出了焊縫熔合區(qū)四個部位(余高、上部、中部、下部)的鋁含量測試結(jié)果。焊縫處的鋁含量平均為10.92%，而Ti2AlNb合金母材的鋁含量為10.00%～12.00%。可見，電子束焊接后，鋁元素的燒損現(xiàn)象不明顯，其在焊縫內(nèi)部的含量均在材料名義成分控制范圍內(nèi)。

圖1 Ti2AlNb合金電子束焊縫成分檢測結(jié)果Fig.1 The chemical components detection results of Ti2AlNb alloy electron beam welding seam

3.2 焊接接頭組織分析

圖2 是經(jīng)時效處理后的焊接接頭低倍組織形貌。由母材到焊縫依此為母材區(qū)(Ⅰ區(qū))、熱影響區(qū)(Ⅱ區(qū))和熔合區(qū)(Ⅲ區(qū))，熔合區(qū)又包括焊接區(qū)和修飾區(qū)兩部分。

圖2 Ti2AlNb合金電子束焊接接頭低倍組織形貌Fig.2 The macrostructure of Ti2AlNb alloy electron beam welding joint

圖3 給出了母材區(qū)、熱影響區(qū)和熔合區(qū)的顯微組織。可看出，Ti2AlNb母材區(qū)(圖3(a))為等軸α2/O相顆粒和B2轉(zhuǎn)變組織形成的雙態(tài)組織，α2/O相顆粒的尺寸約為5 μm。焊接過程中，熱影響區(qū)各部位所達到的最高溫度不同。根據(jù)熱影響區(qū)不同部位所達到的最高溫度，可分為近熱影響區(qū)(靠近熔合區(qū))和遠熱影響區(qū)(靠近母材區(qū))。焊接時，遠熱影響區(qū)(圖3(b))的溫度低于O→β相變點，部分O 相轉(zhuǎn)變?yōu)锽2相和α2相；而近熱影響區(qū)(圖3(c))的溫度高于O→β相變點，O 相轉(zhuǎn)變?yōu)锽2相，且α2相也發(fā)生了部分轉(zhuǎn)變，從而僅保留了少量的α2相。焊接過程中熔合區(qū)的金屬完全熔化，隨后的冷卻過程中冷速很快，從而抑制了B2→α2和B2→O 的轉(zhuǎn)變，焊接后的熔合區(qū)中形成了單一的B2相，且垂直于熱影響區(qū)與熔合區(qū)的界面形成了柱狀晶/枝晶形態(tài)[7，18]。時效處理時，熔合區(qū)的B2晶粒內(nèi)析出大量O 相板條，從而形成細小的板條組織，如圖3(d)所示。由此可以看出，母材區(qū)為雙態(tài)組織，熔合區(qū)為板條組織，從近熱影響區(qū)到遠熱影響區(qū)為板條組織向雙態(tài)組織過渡。

圖3 Ti2AlNb合金電子束焊接接頭顯微組織形貌Fig.3 The microstructure of Ti2AlNb alloy electron beam welding joint

3.3 焊接接頭性能分析

3.3.1 焊接接頭的力學性能

Ti2AlNb合金電子束焊接試樣的抗拉強度σb及伸長率δ如圖4所示(3個以上試樣的平均值)?？煽闯?，在室溫和650℃下焊接接頭的抗拉強度與母材鍛件的相差不大，可以達到母材鍛件抗拉強度的90%；室溫和650℃下焊接接頭的伸長率與母材鍛件的相比明顯降低，僅為母材的40%左右。

Ti2AlNb合金電子束焊接試樣在650℃、360 MPa下的持久壽命如圖5 所示(3 個以上試樣的平均值)?？煽闯觯附咏宇^的持久壽命比母材鍛件的大幅降低，約為母材鍛件壽命的22%。Ti2AlNb電子束焊接試樣的室溫低循環(huán)疲勞壽命如圖6所示(3個以上試樣的平均值)?？煽闯觯嗤d荷條件下(最大循環(huán)應(yīng)力為750 MPa時)，焊接試樣的疲勞壽命比母材鍛件大幅降低，約為母材鍛件疲勞壽命的35%。且隨著最大循環(huán)載荷的增加，焊接接頭的疲勞壽命明顯降低。

圖4 Ti2AlNb電子束焊接試樣的拉伸性能Fig.4 The tensile properties of Ti2AlNb alloy electron beam welding joints specimen

圖5 Ti2AlNb電子束焊接試樣的持久性能Fig.5 The endurance properties of Ti2AlNb alloy electron beam welding joints specimen

3.3.2 焊接接頭的斷口分析

圖6 Ti2AlNb電子束焊接試樣的低周疲勞性能Fig.6 The low cycle fatigue properties of Ti2AlNb alloy electron beam welding joints specimen

圖7 Ti2AlNb合金電子束焊接試樣斷口形貌Fig.7 The fracture surface of Ti2AlNb alloy electron beam welding joints specimen

對Ti2AlNb 合金電子束焊接力學性能試樣的斷口進行分析，發(fā)現(xiàn)焊接試樣的斷裂都產(chǎn)生在焊縫部位，說明焊縫處是整個試樣的薄弱區(qū)域。圖7 給出了Ti2AlNb 合金電子束焊接試樣斷口形貌。從圖7(a)所示室溫拉伸試樣的斷口可看出，拉伸斷裂主要為沿晶斷裂模式，尤其是沿柱狀晶開裂的特征比較明顯，同時斷口的一部分區(qū)域有少量穿晶斷裂的特征；據(jù)高倍照片可發(fā)現(xiàn)沿晶斷口表面存在比較淺的韌窩，說明斷裂時具有一定的塑性變形。650℃持久試樣的斷口如圖7(b)所示，持久斷裂主要為沿晶開裂，部分試樣斷口中存在對持久性能具有一定影響的直徑為50～130 μm 的微小氣孔。室溫低周疲勞試樣的斷口如圖7(c)所示，疲勞斷裂主要起源于焊縫處的試樣表面，且大部分試樣的疲勞源區(qū)附近存在直徑為50～100 μm 的微小氣孔。疲勞試樣的斷口表面大部分區(qū)域為沿晶斷裂，小部分區(qū)域為穿晶斷裂。

焊縫內(nèi)部存在的少量直徑為50～130 μm 的微小氣孔，主要產(chǎn)生在焊縫近表面區(qū)域(未出現(xiàn)在焊縫處的試樣表面)。這些氣孔通過X 射線和熒光檢驗均無法發(fā)現(xiàn)，且其尺寸滿足Ⅰ級焊縫的質(zhì)量要求。但是Ti2AlNb合金及其焊縫的塑性較低，對應(yīng)力集中較為敏感，焊縫中的氣孔往往會成為斷裂的起始部位，從而降低焊縫的力學性能(尤其是疲勞性能和持久性能)。因此，后續(xù)研究中需進一步分析焊縫中氣孔的形成原因并提出控制措施。

4 機匣構(gòu)件焊接和實驗考核

通過優(yōu)化焊接工藝完成了Ti2AlNb 合金機匣的電子束焊接。為防止焊縫出現(xiàn)延時裂紋，焊縫探傷合格后及時進行了熱處理。熱處理分為兩步：①去應(yīng)力處理，溫度650℃，保溫時間4 h，以充分釋放焊接應(yīng)力，防止機匣變形；②時效處理，溫度850℃，保溫時間24 h，以調(diào)整焊縫的組織和性能。焊接機匣如圖8所示，電子束焊縫為周向焊縫。

圖8 電子束焊接的Ti2AlNb機匣Fig.8 The Ti2AlNb alloy casing by electron beam welding

設(shè)計實驗工裝，采用控制水壓的方式對Ti2AlNb合金焊接機匣施加腔壓，分別開展了壓力實驗和低循環(huán)疲勞實驗，實驗過程如圖9所示，通過控制水壓向機匣施加腔壓，使機匣產(chǎn)生應(yīng)力和變形，實驗時實時測量應(yīng)力和變形。壓力實驗中，對腔壓分別為2.5～3.0、4.5～5.0、5.5～6.0、9.5～10.0 MPa 時的應(yīng)力和位移進行了測量。其中應(yīng)力測量結(jié)果見表2，焊縫處的最大應(yīng)力達593.0 MPa。低循環(huán)疲勞實驗中，對機匣進行實時監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)焊縫滲漏、變形過大等異常情況。低循環(huán)疲勞實驗的最大腔壓為5.0 MPa，焊縫處的最大應(yīng)力約為261.0 MPa，共完成了3 000次低循環(huán)疲勞實驗。對完成壓力實驗和低循環(huán)疲勞實驗后的機匣進行著色檢查和尺寸檢測，均未發(fā)現(xiàn)異常情況，實驗考核效果良好。

圖9 實驗中的電子束焊接Ti2AlNb機匣Fig.9 The Ti2AlNb alloy casing by electron beam welding in experiment

表2 不同腔壓下的模擬機匣應(yīng)力Table 2 The stress of simulated casing of different cavity pressure

5 結(jié)論

(1)Ti2AlNb合金電子束焊縫成型良好，可滿足Ⅰ級焊縫的質(zhì)量要求，焊縫中未出現(xiàn)明顯的吸氫和鋁元素燒損。

(2)Ti2AlNb 合金鍛件母材為等軸α2/O 相顆粒和B2轉(zhuǎn)變組織形成的雙態(tài)組織，焊接熔合區(qū)為細小的板條組織，焊接熱影響區(qū)中的O相發(fā)生回溶。

(3)Ti2AlNb 合金電子束焊接接頭的拉伸強度較高，可達到母材強度的90%以上，焊接接頭的持久性能和低周疲勞性能比母材明顯降低。焊接接頭主要為沿晶斷裂，接頭中存在少量微小氣孔。

(4)Ti2AlNb 合金焊接機匣通過了最高腔壓為10.0 MPa(焊縫處等效應(yīng)力約為593.0 MPa)的壓力實驗和3 000 次最高腔壓為5.0 MPa(焊縫處等效應(yīng)力約為261.0 MPa)的低循環(huán)疲勞實驗考核。