熱處理對(duì)TC4-DT/TC21鈦合金線性摩擦焊接頭組織和性能的影響

高潘 曾衛(wèi)東 張傳臣 徐建偉

摘要：為進(jìn)一步提升TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭的綜合力學(xué)性能，對(duì)比分析了焊接接頭一次退火和雙重退火對(duì)微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，一次退火后，接頭各個(gè)區(qū)域的組織特征與退火前差異較小，焊縫中心區(qū)為細(xì)小的再結(jié)晶晶粒及針狀α相，熱力影響區(qū)呈現(xiàn)沿振蕩方向拉長(zhǎng)的流線組織。但雙重退火后，接頭組織發(fā)生明顯變化，焊縫中心區(qū)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大、片層α相粗化以及晶界α相不連續(xù)等現(xiàn)象。熱力影響區(qū)內(nèi)α相片層粗化且片層間距增加，同時(shí)在粗化的片層α相周圍析出許多長(zhǎng)大的短棒狀α相。母材區(qū)內(nèi)片層α相發(fā)生粗化且有次生相析出。性能對(duì)比顯示雙重退火明顯優(yōu)于一次退火，其中強(qiáng)度和沖擊功分別提升了91MPa和24.4J，塑性仍保持較高水平。

關(guān)鍵詞：線性摩擦焊；焊后熱處理；鈦合金；雙重退火；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG166.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.007

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（201911053001）

隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)理念由單純強(qiáng)度向損傷容限設(shè)計(jì)原則的轉(zhuǎn)變，鈦合金材料也逐步由追求單一高強(qiáng)度向高強(qiáng)度、高模量、高韌性以及低裂紋擴(kuò)展速率等損傷容限型綜合高性能的方向發(fā)展[1-3]。對(duì)于先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的某些結(jié)構(gòu)部件，不同部位的受力情況不同，對(duì)其材料的性能需求也不同，如翼肋，該部件包含耳片和支撐梁兩個(gè)主要部位，耳片在服役過(guò)程中承受較大載荷，對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性要求較高，高強(qiáng)高韌鈦合金TC21可滿足使用要求[4]；支撐梁載荷承受較小，對(duì)材料的強(qiáng)度要求較低而韌性要求較高，中強(qiáng)高韌鈦合金TC4-DT較為合適[1]。為充分發(fā)揮材料性能、提高結(jié)構(gòu)可靠性，使用線性摩擦焊實(shí)現(xiàn)TC4-DT和TC21異質(zhì)材料連接是理想的部件制備方式。

對(duì)于上述異質(zhì)材料的連接可采用線性摩擦焊來(lái)進(jìn)行，該工藝?yán)脙杀缓腹ぜ佑|面在壓力作用下相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生熱量，從而實(shí)現(xiàn)焊件的固態(tài)連接[5-9]。線性摩擦焊目前廣泛應(yīng)用于鎳基高溫合金、鋼以及鈦合金的連接[10-12]。眾多文獻(xiàn)研究表明，摩擦焊接頭對(duì)熱處理較為敏感，合適的熱處理制度可以改善接頭組織、提升接頭力學(xué)性能。Dorick等[13]研究了焊后退火處理對(duì)TC17線性摩擦焊接頭的影響，他們發(fā)現(xiàn)焊后退火處理能夠使各個(gè)區(qū)域的微觀組織均勻化。Damodaram等[14]對(duì)718合金摩擦焊接頭進(jìn)行固溶時(shí)效處理后發(fā)現(xiàn)樣品表現(xiàn)出較好的斷裂性能，這是由焊后熱處理使得晶粒組織均質(zhì)化、適度粗化以及強(qiáng)化沉淀物強(qiáng)的均勻分布所導(dǎo)致的。Tao等[15]對(duì)TC4/TC17異種鈦合金線性摩擦焊接頭進(jìn)行焊后熱處理，發(fā)現(xiàn)熱處理可通過(guò)粗化組織來(lái)增加接頭的斷裂韌性。Chen等[16]研究了熱處理對(duì)Ti2AlNb合金線性摩擦焊接頭組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理過(guò)程中O相的析出可以顯著改善接頭力學(xué)性能。

綜上所述，熱處理對(duì)線性摩擦焊接頭有重要影響。對(duì)于TC4-DT/TC21異質(zhì)鈦合金接頭，由于兩種母材合金在成分、組織、相變點(diǎn)上都有較大差異，為兼顧接頭及兩側(cè)母材的性能，需要制定合適的熱處理制度。本文在充分調(diào)研TC4-DT及TC21合金基本性能及熱處理影響的基礎(chǔ)上，擬對(duì)焊后接頭采用一次退火和雙重退火工藝，對(duì)比不同退火制度對(duì)接頭微觀組織的影響，為線性摩擦焊接的翼肋研制提供熱處理工藝指導(dǎo)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中所采用的材料為國(guó)內(nèi)自主研制的中強(qiáng)度高損傷容限性鈦合金TC4-DT （Rm≥825MPa、KIC≥90MPa·m1/2）及高強(qiáng)度高損傷容限性鈦合金TC21 （Rm≥1100MPa、KIC≥70MPa·m1/2），這兩類鈦合金的化學(xué)成分組成分別見表1、表2。

圖1為兩種母材的掃描電子顯微鏡（SEM）照片，從圖1（a）可以看出，經(jīng)過(guò)區(qū)域β退火處理的TC4-DT鈦合金為魏氏組織形態(tài)，即粗大的β晶粒內(nèi)部分布著不同位向α相“叢域”，在同一“α叢域”內(nèi)有很多近似平行的細(xì)小片狀α相，此外還可以看到晶界α相（αGB）較為明顯；TC21經(jīng)過(guò)固溶時(shí)效后，獲得網(wǎng)籃狀組織，即棒狀的初生α相（αp）互相交錯(cuò)并以網(wǎng)籃狀的形態(tài)分布在β基體上，同時(shí)在這些初生α相之間無(wú)序的分布著呈針狀的次生α相（αs），如圖1（b）所示。

1.2試驗(yàn)方法

試件尺寸為試樣尺寸為75mm×80mm×20mm，焊接面面積為75mm×20mm，線性摩擦焊試驗(yàn)是在中國(guó)航空制造技術(shù)研究院自行研制的15t線性摩擦焊機(jī)上進(jìn)行，線性摩擦焊過(guò)程及取樣示意圖如圖2所示。焊接完成以后，去除接頭邊緣的飛邊，在接頭中心位置垂直于往復(fù)運(yùn)動(dòng)平面縱向切割得到尺寸為20mm×20mm×10mm的試樣（見圖2）。之后對(duì)試樣進(jìn)行一次退火和雙重退火處理，熱處理制度見表3。

對(duì)于熱處理前以及熱處理后的樣品，用砂紙和Krolls試劑（0.5% HF+1.5% HNO3+2% HCl+96% H2O）對(duì)試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕。之后分別利用OLYMPUS-PMG3光學(xué)顯微鏡（OM）和TESCAN MIRA3 XMU掃描電子顯微鏡對(duì)熱處理前后的接頭不同區(qū)域進(jìn)行觀察和分析。之后，對(duì)接頭進(jìn)行室溫拉伸和沖擊性能測(cè)試，以確定焊后熱處理對(duì)接頭性能的影響。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1宏觀組織特征

TC4-DT/TC21經(jīng)過(guò)線性摩擦焊及熱處理后所獲得接頭的宏觀形貌接近，因此本節(jié)主要介紹焊后所獲得接頭的宏觀形貌。如圖3所示，在焊縫附近沒(méi)有出現(xiàn)微裂紋或夾雜物等缺陷，且隨著與焊縫距離的增大接頭可分為三類區(qū)域：焊縫中心區(qū)（WCZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）以及母材區(qū)（BM）。

對(duì)于焊縫中心區(qū)，該區(qū)域緊靠焊縫兩側(cè)，組織細(xì)節(jié)特征在50倍下幾乎觀察不到，這主要是因?yàn)槌?xì)晶的存在。在焊接過(guò)程中該區(qū)域溫度高（T>Tβ）、應(yīng)變大[17]，β相發(fā)生了較為劇烈的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，并以極其細(xì)小的狀態(tài)保留到室溫[18]；對(duì)于熱力影響區(qū)，可以看到β晶粒及α晶粒沿振蕩方向拉長(zhǎng)，形成典型的流線組織。這是因?yàn)樵诖藚^(qū)域的材料在焊接過(guò)程中沿著振蕩方向發(fā)生劇烈的塑性變形和流動(dòng)；對(duì)于母材區(qū)，該區(qū)域的組織較于焊前幾乎沒(méi)有發(fā)生任何變化。

2.2微觀組織特征

圖4為熱處理前后焊縫中心區(qū)的SEM照片。如圖4（a）所示，在TC4-DT側(cè)，呈細(xì)長(zhǎng)針狀的α相以網(wǎng)籃狀交錯(cuò)分布，且?guī)缀跤^察不到β相的存在；TC21側(cè)出現(xiàn)較為細(xì)小的等軸β晶粒，較于TC4-DT側(cè)，該區(qū)域的針狀α相更為細(xì)小，此外，在TC21側(cè)的β晶粒間分布連續(xù)的晶界α相（αGB）。如此特征的組織可能導(dǎo)致接頭強(qiáng)度升高但韌性下降，對(duì)其進(jìn)行熱處理將改善其性能。

焊縫中心區(qū)經(jīng)過(guò)700℃一次退火后的組織如圖4（b）所示，可以看出，經(jīng)過(guò)一次退火后TC4-DT側(cè)的針狀α相雖然仍保持著網(wǎng)籃狀特征，但發(fā)生了粗化，這一組織變化特征會(huì)顯著增加接頭處的強(qiáng)度及裂紋擴(kuò)展阻力。而在TC21側(cè)，組織狀態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，即在細(xì)小的β晶粒內(nèi)部雜亂的分布著大量的細(xì)小針狀α相，同時(shí)晶界α相仍保持著較為連續(xù)的狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)雙重退火處理后焊縫中心區(qū)的組織特征如圖4（c）所示，可以看到，經(jīng)過(guò)雙重退火后，該區(qū)域的組織特征發(fā)生了明顯的變化。在TC4-DT側(cè)片狀α相進(jìn)一步粗化并開始呈現(xiàn)短棒狀特征，還可以注意到部分短棒狀α在長(zhǎng)大過(guò)程中互相交截使得被交截的α相長(zhǎng)度變短；在TC21側(cè)，β晶粒尺寸增加，以至于在整個(gè)視野范圍內(nèi)觀察不到完整的晶粒。同樣的，β晶粒內(nèi)部的針狀α相也開始長(zhǎng)大、粗化，初步分析是因?yàn)樵诟邷叵潞辖鹪氐亩坛虜U(kuò)散速度加快導(dǎo)致的。上述組織變化都能夠有效提升焊接接頭阻礙裂紋擴(kuò)展的能力。應(yīng)當(dāng)指出，原本在晶界連續(xù)分布的晶界α開始呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，這種不連續(xù)的晶界α相也能夠有效地提升該區(qū)域的性能。

熱力影響區(qū)微觀組織的SEM照片如圖5所示，該區(qū)域溫度基本處于相變點(diǎn)以下，在正應(yīng)力以及切應(yīng)力作用下晶粒沿振蕩方向拉長(zhǎng)，只有部分區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶。如圖5（a）所示，TC4-DT側(cè)晶粒內(nèi)部的片層α相以波紋狀沿振蕩方向分布；TC21側(cè)（見圖5（d）），最明顯的特征同樣是沿振蕩方向分布的初生α相，但可以注意到在這些初生α相之間分布著許多被剪切且細(xì)化為針狀的α相。

經(jīng)過(guò)700℃一次退火后TC4-DT和TC21側(cè)的熱力影響區(qū)的顯微組織如圖5（b）、圖5（e）所示。TC4-DT側(cè)的組織沒(méi)有發(fā)生太大變化，但在TC21側(cè)，波紋狀的初生α相寬度增加、長(zhǎng)度變短出現(xiàn)粗化的趨勢(shì)。這是因?yàn)榻宇^內(nèi)儲(chǔ)存能高，球狀相界面能小于層片狀相界面能，熱處理促進(jìn)片狀α相向球狀α相轉(zhuǎn)變，但是分布在片狀α相之間的針狀α相沒(méi)有發(fā)生變化。

雙重退火后，焊縫兩側(cè)熱力影響區(qū)都發(fā)生明顯變化。如圖5（c）所示對(duì)于TC4-DT側(cè)熱力影響區(qū)，盡管初生α相仍保持波紋狀但其片層間距明顯增加，且在這些片層α相之間分布著許多次生α相，這主要是因?yàn)樵陔p重退火過(guò)程中加熱溫度高、元素?cái)U(kuò)散速度快，促進(jìn)了片層α相的長(zhǎng)大，并在之后的時(shí)效過(guò)程中析出次生α相。TC4-DT側(cè)熱力影響區(qū)如圖5（f）所示，首先可以注意到原本呈波紋狀的α相的變形程度減小，這是因?yàn)榘l(fā)生了回復(fù)過(guò)程。其次，在這些初生α相附近出現(xiàn)許多竹葉狀的長(zhǎng)大的次生α相，這些組織特征變化同樣會(huì)增加接頭的強(qiáng)度以及裂紋擴(kuò)展阻力。

對(duì)于母材區(qū)，該區(qū)域的組織經(jīng)過(guò)700℃的一次退火后片層α相開始有所粗化，但粗化特征不是很明顯，同時(shí)在β相中沒(méi)有觀察到較為明顯的次生相析出；經(jīng)過(guò)雙重退火以后，TC4-DT和TC21側(cè)的片層α相都進(jìn)一步粗化。進(jìn)一步可以看出，在TC4-DT側(cè)片層α相之間的β相中析出大量針狀次生α相（見圖6（c））。如圖6（f）所示，片層α相的棱角已經(jīng)消失，且殘余β相中析出更多細(xì)小的次生α相。這些細(xì)小的針狀α相有利于增加該區(qū)域的強(qiáng)度，但會(huì)相應(yīng)的降低該區(qū)域的塑性。

2.3力學(xué)性能

TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭的拉伸、沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，經(jīng)過(guò)雙重退火后接頭的強(qiáng)度比一次退火處理后提高近100MPa，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)雙重退火中在各個(gè)區(qū)域析出的次生α相強(qiáng)化效果大于組織粗化所造成的弱化效果；雙重退火后接頭的沖擊韌性較于一次退火提高了近三倍，這是因?yàn)榇只钠瑢应料嘁约安贿B續(xù)的晶界α的存在增加了沖擊裂紋擴(kuò)展阻力，進(jìn)而顯著提升接頭的沖擊性能；此外，還可以看到，相比于一次退火，經(jīng)過(guò)雙重退后接頭的斷后伸長(zhǎng)率略有降低，但斷面收縮率有所升高，說(shuō)明雙重退火制度在顯著增加接頭強(qiáng)度的同時(shí)，仍保持著較好的塑性。綜上所述，雙重退火后得到接頭的強(qiáng)度和韌性有了較大的提升，并且塑性仍保持著較高的塑性。

3結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭根據(jù)組織特征分為母材區(qū)、熱力影響區(qū)和焊縫中心區(qū)。WCZ內(nèi)存在細(xì)小的β晶粒以及大量針狀α相；TMAZ內(nèi)β晶粒及α晶粒沿振動(dòng)方向被拉長(zhǎng)形成流線組織；母材區(qū)組織特征仍保持焊前的狀態(tài)。

（2）與一次退火相比，經(jīng)雙重退火后的接頭組織發(fā)生較為明顯的變化：WCZ內(nèi)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大、片層α相粗化且晶界α相呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)；TMAZ內(nèi)片狀α相因發(fā)生回復(fù)變形程度減小且片層間距增加，在這些粗化的片層α相周圍析出許多長(zhǎng)大的次生α相。BM內(nèi)片層α相明顯粗化且次生相析出。

（3）TC4-DT/TC21線性摩擦焊接頭雙重退火獲得的綜合力學(xué)性能明顯優(yōu)于一次退火處理。較于一次退火，經(jīng)過(guò)雙重退火后接頭的強(qiáng)度和沖擊韌性都顯著增加，且塑形仍保持著較高的水平。

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Effect of Heat Treatment on Microstructure and Properties of TC4-DT/TC21 Titanium Alloy Linear Friction Welded Joints

Gao Pan1，2，Zeng Weidong1，2，Zhang Chuanchen3，Xu Jianwei1，2

1. Defense Technologies Innovation Center of Precision Forging and Ring Rolling，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，China

2. Shaanxi Key Laboratory of High-Performance Precision Forming Technology and Equipment，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072，China

3. Aviation Technology Key Laboratory of Aviation Welding and Joining Technology，AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 100024，China

Abstract： In order to further improve the comprehensive mechanical properties of TC4-DT/TC21 linear friction welded joints， the effects of simple annealing and duplex annealing on the microstructure and mechanical properties of welded joints were compared and analyzed. The results show that after simple annealing， the microstructure characteristics of each zone are less different from those before annealing. Namely the weld center zone is composed of fine recrystallized grains and needle-likeαphases， and the thermo-mechanical affected zone presents a streamlined structure elongated in the direction of oscillation. However， after the duplex annealing， the joint structure changes significantly， and weld center zone appears grain growth， lamellarαphase coarsening， and grain boundaryαphase discontinuity. In the thermo-mechanical affected zone， theαlayer is coarsened and the interlaminar spacing increases. At the same time， many long and short rod-likeαphases are precipitated around the coarsened lamellar alpha phase. In the base material zone， the lamellarαphase is coarsened and secondary phases are precipitated. Comparison of mechanical properties shows that duplex annealing is significantly better than simple annealing， in which the strength and impact energy are increased by 91MPa and 24.4J respectively， the plasticity remains at a relatively high level.

Key Words： linear friction welding； post-weld heat treatment； titanium alloy； duplex annealing； mechanical properties