TC4鈦合金真空電子束焊焊接接頭組織性能與腐蝕行為研究

陳啟斌

(攀枝花鋼城集團(tuán)有限公司，四川攀枝花617000)

自上世紀(jì)50年代以來，鈦及鈦合金因具有優(yōu)異的綜合性能而受到世界各國的重視，被廣泛運用于各行各業(yè)。TC4鈦合金是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的一種(α+β)型鈦合金［1］。傳統(tǒng)鈦合金焊接方法因鈦合金反應(yīng)活性高，焊接熱輸入大，易產(chǎn)生氣孔和接頭脆化，限制了鈦合金的應(yīng)用。而真空電子束焊具有能量集中度高、焊接冶金質(zhì)量好、焊縫窄、深寬比大、焊接角變形小、熱影響區(qū)小、接頭性能好等優(yōu)點［2］，近年來被廣泛應(yīng)用于鈦及鈦合金的焊接［3］。但對于焊接接頭電化學(xué)腐蝕行為的研究卻并不多見。

本文研究了TC4鈦合金薄板真空電子束焊焊接接頭組織性能并分析了鈦合金接頭在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕行為，為海洋工程裝備中鈦合金的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗

1.1 試樣制備

母材尺寸為350 mm×110 mm×3 mm的TC4鈦合金薄板，不用焊絲，直接焊接，間隙控制在0.1 mm以下。TC4鈦合金化學(xué)成分見表1。真空電子束焊主要工藝參數(shù)見表2。試樣裝配圖見圖1。

表1 TC4鈦合金材料化學(xué)成分(%)Table.1 Chemical composition of experiment material

表2 真空電子束焊焊接工藝參數(shù)Table.2 Current parameter of test welding

圖1 真空電子束焊件裝配示意圖Fig.1 Assembly diagramof vacuumelectron beam weld ment

1.2 試驗方法

(1)顯微組織觀察

采用線切割機(jī)切割試樣，然后用砂輪機(jī)去除飛邊。對截面采用經(jīng)預(yù)磨機(jī)、金相砂紙打磨后進(jìn)行鑲嵌，鑲嵌好的試樣再次經(jīng)400#～1000#金相砂紙細(xì)磨至表面光亮平整且無明顯劃痕，最后用拋光機(jī)拋光至鏡面。按照 HNO3：HF：H2O=5：5：90的比例配制酸性腐蝕液，采用擦拭法腐蝕試樣表面5 s左右，立即用清水沖洗試樣，吹干后待用。在OLYPUS金相顯微鏡下觀察焊接接頭各區(qū)域顯微組織。

(2)顯微硬度測試

采用HV-1000型顯微硬度儀測試焊接接頭截面顯微硬度，載荷為0.2 kgf，加載時間10 s，保壓時間20 s。記錄母材、熱影響區(qū)和焊縫的顯微硬度值。

(3)力學(xué)性能試驗

拉伸試驗在SHT4305型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》加工母材和焊接接頭試樣，采用1.2 mm/min的拉伸速度，在40 k N的載荷下測量試樣的抗拉強(qiáng)度以及斷面收縮率和延伸率。

(4)電化學(xué)腐蝕試驗

在TC4焊板上切取電化學(xué)腐蝕試樣，試樣規(guī)格30 mm×25 mm×3 mm，焊縫區(qū)域位于試樣中心。用石蠟將除待測區(qū)域(焊縫區(qū)、母材區(qū))及夾持部分外的部分進(jìn)行密封，盡量保證試樣待測區(qū)域面積大小為0.3 c m2左右，用游標(biāo)卡尺測量記錄待測區(qū)域面積。試驗采用恒壓電位法在PARSTAT-4000電化學(xué)工作站中進(jìn)行，掃描速度為0.5 mV/s。以待測試樣作為工作電極、Pt輔助電極和甘汞電極作為參比電極，組成三電極系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)的極化曲線測量。分別測試試樣在3.5%NaCl、10%HCl溶液中的極化曲線。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫形貌

圖2是TC4鈦合金板對接焊焊縫正面和剖面形貌。由圖可見，試樣焊接接頭部位沒有明顯的裂紋、氣孔等缺陷，焊縫外形呈典型的楔形，這是由于真空電子束焊接具有能量密度高、熔深大，變形小，易于控制等特點而形成的特有的焊縫形貌。焊接接頭熱影響區(qū)較窄，進(jìn)一步放大，焊接接頭凝固組織特征是在熔合線內(nèi)以等軸晶的形式存在，延伸至焊縫區(qū)轉(zhuǎn)化為相對粗大的柱狀晶，晶粒取向具有一定的方向性，生長方向基本垂直于熔合線。

2.2 接頭顯微組織

圖3是焊接接頭各區(qū)域在200倍下的組織形貌。由圖3(a)可以看出，母材區(qū)組織是α相和β相的機(jī)械混合，片狀等軸α相分布在β相上，是典型的雙態(tài)組織；焊縫區(qū)α'相組織(針狀馬氏體)在粗大β晶粒中呈平行分布，α'相交錯排列交織成網(wǎng)籃狀；熱影響區(qū)晶粒細(xì)小，可以看出是由原始α相加α'相組成。這是因為焊縫和熱影響區(qū)在冷卻過程中，高溫β相冷卻速度過快，α相來不及形成，β相再結(jié)晶形成的新的針狀馬氏體在原始位置析出形成網(wǎng)籃結(jié)構(gòu)。

圖2 焊縫正面和剖面形貌：(a)正面;(b)剖面;(c)熔合區(qū)Fig.2 Appearance of front and section of weld joint：(a)front;(b)section of the joint;(c)fusion zone

圖3 焊接接頭顯微結(jié)構(gòu)(200×)：(a)母材;(b)焊縫區(qū);(c)熱影響區(qū)Fig.3 Microstructure of the welding joint：(a)base metal;(b)weld zone;(c)heat affection zone

2.3 焊接接頭顯微硬度

焊接接頭顯微硬度測試結(jié)果見圖4。由圖可見，焊縫區(qū)域的顯微硬度明顯高于母材，且隨母材距離的增加，顯微硬度逐漸升高，但在熱影響區(qū)靠近熔合線位置出現(xiàn)硬度下降。可能與焊接熱循環(huán)作用下β相的過冷轉(zhuǎn)變有關(guān)。在焊縫區(qū)，原來的β相快速冷卻，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，變成針狀α'相，針狀α'相形成網(wǎng)籃組織，溫度越高，針狀α'相晶粒越大，硬度越高；而在熱影響區(qū)，由于冷卻速度過快，部分β相轉(zhuǎn)變形成的針狀α'相發(fā)育不完全，具有較高位錯密度，容易造成晶界滑移，故出現(xiàn)局部軟化現(xiàn)象。

2.4 力學(xué)性能試驗

根據(jù)GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》分別對TC4鈦合金板、TC4真空電子束焊焊接接頭試樣進(jìn)行拉伸試驗。表3為母材與焊接接頭力學(xué)性能對比情況。

由表3可知，焊接試樣伸長率、斷面收縮率明顯高于母材，說明焊接接頭塑性好，與焊縫區(qū)網(wǎng)籃組織的形成有關(guān)。

2.5 電化學(xué)腐蝕性能

母材和焊接接頭試樣分別在3.5%NaCl、10%HCl溶液中的極化曲線如圖5所示，表4為所對應(yīng)極化動力學(xué)參數(shù)。

圖4 焊接接頭顯微硬度分析Fig.4 Microhardness analysis of the welded joint

表3 母材與焊接接頭力學(xué)性能對比Table 3 Comparison of mechanical properties bet ween base metal and welded joint

圖5 不同腐蝕介質(zhì)中的極化曲線Fig.5 Polarization curves in different corrosive media

表4 鈦合金接頭在腐蝕介質(zhì)中的極化動力參數(shù)Table 4 Polarization dynamic parameters of titaniumalloy joints in corrosive medium

由表4可知，在3.5%NaCl溶液中，焊縫區(qū)自腐蝕電位更趨于正值，故母材的腐蝕傾向大于焊縫，而在10%HCl溶液中，不論焊縫還是母材，自腐蝕電位大于0，說明鈦合金抗腐蝕好，但焊縫區(qū)和母材區(qū)相比，母材區(qū)自腐蝕電位更高，說明焊縫區(qū)是腐蝕薄弱區(qū)域。同時，焊接接頭在10%HCl溶液中自腐蝕電流顯著高于在3.5%NaCl溶液中，說明介質(zhì)對接頭的電化學(xué)腐蝕性能影響顯著。

3 結(jié)論

(1)TC4鈦合金真空電子束焊接接頭剖面呈特有的楔形，熱影響區(qū)很窄，接頭母材區(qū)組織是α相和β相的機(jī)械混合，是典型的雙態(tài)組織；焊縫區(qū)則是典型的由針狀馬氏體(α'相)組成的網(wǎng)籃狀組織；熱影響區(qū)是原始α相加均勻且細(xì)小針狀馬氏體組織。

(2)α'相(針狀馬氏體)具有較高位錯密度和孿晶，硬而脆，而α相硬度略低于α'相，因此顯微硬度由焊縫區(qū)向母材逐漸降低。室溫下，與母材相比焊接接頭具有更好的拉伸力學(xué)性能。

(3)在腐蝕介質(zhì)不同，母材區(qū)和焊縫區(qū)表現(xiàn)出不同的腐蝕能力。在10%HCl溶液中，鈦合金的自腐蝕傾向最小，但腐蝕電流密度明顯高于3.5%NaCl中的情況。10%HCl溶液中焊縫區(qū)是腐蝕薄弱區(qū)域；在3.5%NaCl溶液中，母材的腐蝕傾向大于焊縫。