激光振蕩掃描焊接Ti2AlNb/TC4焊縫組織及力學(xué)性能

劉捷， 謝美蓉， 王夢(mèng)飛， 劉天亮， 王克鴻

(1.南京理工大學(xué)，南京 210094；2.受控電弧智能增材技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094；3.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

0 前言

TC4 (Ti-6Al-4V，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 合金由于其優(yōu)異的比強(qiáng)度、耐腐蝕性和高溫蠕變性能在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-6]。Ti2AlNb基合金作為最新的一種鈦鋁金屬間化合物，具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性高、抗氧化性好、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，已經(jīng)成為了最具潛力的新型航空航天用輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料[7-10]。迄今為止，已有不少研究人員對(duì)Ti-22Al-23Nb(原子分?jǐn)?shù)，%)、Ti-22Al-25Nb (原子分?jǐn)?shù)，%)和Ti-22Al-27Nb (原子分?jǐn)?shù)，%)等Ti2AlNb基合金進(jìn)行了研究[11-14]。TC4合金和Ti2AlNb基合金都特別適合用于航空航天領(lǐng)域。在一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，雙合金結(jié)構(gòu)常被用作關(guān)鍵部件。但是使用傳統(tǒng)方法對(duì)TC4和Ti2AlNb基合金焊接時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)焊接氣孔等缺陷，與母材相比焊縫強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均有較大下降。因此，研究TC4合金和Ti2AlNb基合金的異種金屬連接方法，對(duì)于推進(jìn)鈦鋁系合金在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員主要采用電子束焊和激光焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)Ti2AlNb/TC4系列異種金屬的連接[15-17]。Tan等人[16]采用電子束焊接技術(shù)進(jìn)行了Ti-22Al-25Nb/TC11異種合金的連接，研究發(fā)現(xiàn)TC11一側(cè)熱影響區(qū)的組織主要為α’馬氏體相，焊縫中的組織主要為O/α2相，Ti-22Al-25Nb一側(cè)熱影響區(qū)的組織主要為B2相。Lei等人[15]研究了激光焊接Ti-22Al-27Nb/TC4接頭的顯微組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明，Ti-22Al-27Nb一側(cè)熱影響區(qū)的組織主要為B2相和少量殘余粗化α2相，TC4一側(cè)熱影響區(qū)的組織主要為α’馬氏體相、針狀α相和原始α相，而焊縫的組織主要為B2相和α’馬氏體相。Ti-22Al-27Nb/TC4焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度可達(dá)到TC4母材的92%左右，但斷后伸長(zhǎng)率低于TC4母材的40%。

激光振蕩掃描焊接技術(shù)可以在熔池中形成渦流，對(duì)熔融金屬進(jìn)行強(qiáng)烈地?cái)嚢?，從而?shí)現(xiàn)破碎枝晶、細(xì)化晶粒的目的。使用振蕩掃描激光進(jìn)行Ti2AlNb與TC4合金尚未被報(bào)道。文中對(duì)Ti2AlNb/TC4異種金屬激光振蕩掃描焊接進(jìn)行了研究，規(guī)劃掃描路徑，設(shè)定不同的掃描頻率，通過(guò)對(duì)焊接接頭的微觀組織觀察及力學(xué)性能測(cè)試，來(lái)探討激光焊接掃描頻率對(duì)接頭微觀組織演變的影響及所帶來(lái)的力學(xué)性能變化，并優(yōu)化確定合適的激光焊接工藝參數(shù)，為T(mén)i2AlNb基合金與TC4合金在航空航天工業(yè)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用Ti-22Al-25Nb鑄態(tài)合金與Ti-6Al-4V軋制態(tài)合金作為試驗(yàn)材料，通過(guò)線切割加工為30 mm×30 mm×2 mm規(guī)格的試樣,合金的主要化學(xué)成分見(jiàn)表 1。

表1 合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的激光器為IPG公司生產(chǎn)的IPG-10000W光纖激光器，工作模式為連續(xù)式，最大輸出功率為10 kW，輸出波長(zhǎng)為1 070 nm±10 nm，激光束通過(guò)光纖傳導(dǎo)至激光焊接頭中。焊接機(jī)器人使用的是德國(guó)KUKA焊接機(jī)器人，采用六軸聯(lián)動(dòng)方式，重復(fù)定位精確度達(dá)到±0.1 mm。試驗(yàn)所采用的激光振蕩掃描焊接頭為美國(guó)IPG Photonics公司生產(chǎn)的D30掃描振鏡擺動(dòng)焊接頭，光纖直徑100 μm，準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距為200 mm，聚焦鏡焦距為300 mm，通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)各種圖形的二維掃描方式。圖 1所示為試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備示意圖。圖 2為激光束振蕩掃描示意圖，試驗(yàn)采用的掃描模式為圓形。焊接設(shè)備的部分試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表 2。為了研究掃描頻率對(duì)接頭組織及性能的影響，焊接過(guò)程中表 2所示參數(shù)不改變，按照焊接掃描頻率不同分為3個(gè)試驗(yàn)組，具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表 3。

圖1 焊接設(shè)備示意圖

圖2 激光束圓形掃描及對(duì)應(yīng)路徑示意圖

表2 振蕩掃描焊接參數(shù)

表3 試驗(yàn)組參數(shù)

對(duì)焊接后的成品進(jìn)行標(biāo)注，序號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。

在焊接前，用Kroll試劑 (HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶6) 去除表面氧化層，然后用丙酮和乙醇清洗晾干。焊接時(shí)為了防止氧化，向試樣頂部和背面通入流動(dòng)的氬氣作為保護(hù)氣。焊接結(jié)束后，沿垂直于焊縫方向切取金相樣和拉伸樣，經(jīng)研磨和拋光處理后進(jìn)行組織和力學(xué)性能測(cè)試，拉伸試樣的尺寸如圖 3所示。在FEI Quanta-200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下觀察焊接接頭微觀組織。利用INSTRON 5569萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量焊接接頭的在室溫下的拉伸性能，加載速率為1 mm/min，并通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察拉伸斷口形貌。

圖3 拉伸試樣尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形與橫截面形貌分析

Ti-22Al-25Nb/TC4異種合金激光振蕩掃描焊接焊縫正面及背面成形如圖 4所示。宏觀上可以清晰地看到焊縫整體成形良好，焊道上的弧紋為圓形掃描路徑下得到均勻圓弧狀花紋，焊縫整體寬度一致，光滑平整，表面沒(méi)有存在咬邊、焊瘤、裂紋，未熔合等缺陷。樣件正、背面焊縫都呈現(xiàn)出銀白色的金屬光澤，這說(shuō)明在焊接過(guò)程中，保護(hù)氣成功地避免了氧氣、氮?dú)膺M(jìn)入熔池，焊縫表面得到了較好的保護(hù)。如圖 5所示，通過(guò)X射線探傷檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)在焊接接頭內(nèi)部未出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。圖 6為T(mén)i-22Al-25Nb/TC4接頭的橫截面形貌，焊縫整體呈“X”形，焊接接頭完全熔透。圖6中焊縫上、下兩端最大寬度均為0.8～1.0 mm，與圖4b中焊縫的寬度是基本相同。圖4a中焊縫寬度較大，是因?yàn)楸砻孢M(jìn)行了激光掃描，導(dǎo)致表層很淺的一層金屬被熔化，與圖6中頂端約有30 μm厚的亮色金屬區(qū)域相對(duì)應(yīng)。因此，圖4a中的熔融金屬寬度并不是焊縫的實(shí)際寬度，而是激光掃描的寬度。

圖4 焊縫表面成形

圖5 焊縫X射線檢測(cè)圖像

圖6 焊縫橫截面形貌

2.2 界面的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖 7所示為T(mén)i-22Al-25Nb/TC4異種合金激光振蕩掃描焊接接頭焊縫的SEM照片(BSE模式)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)焊縫主要由B2相和α’馬氏體相組成，亮度較大的部位為B2相，α’馬氏體聚集在在B2相的邊緣，呈網(wǎng)籃狀分布，長(zhǎng)短不一。

圖7 焊縫顯微組織

根據(jù)Ti-Al-Nb三元相圖[18]，Ti-22Al-25Nb合金母材是由α2相、B2相和O相組成。在焊接過(guò)程中，溫度由低到高，Ti-22Al-25Nb合金依次會(huì)經(jīng)過(guò) β/B2+O相區(qū)、α2+β/B2+O相區(qū)、α2+β/B2相區(qū)及單一β/B2相區(qū)，當(dāng)焊接過(guò)程中最高溫度超過(guò) β/B2單相區(qū)時(shí)，會(huì)發(fā)生O/α2相→β相的完全轉(zhuǎn)變，無(wú)序的β相則會(huì)在冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻腂2相。根據(jù)Ti-Al二元相圖[19]，TC4合金母材是由α相和β相組成，在緩慢冷卻時(shí)生成α+β相。但是當(dāng)TC4 鈦合金快速冷卻時(shí)，β→α 轉(zhuǎn)變將被抑制，β相將形成細(xì)小片狀或針狀的馬氏體組織，稱(chēng)為α’馬氏體，如圖7b所示。

由于激光焊接具有峰值加熱溫度高和焊接時(shí)加熱、冷卻速度快的特點(diǎn)。焊接時(shí)冷卻速度大于120 ℃/s時(shí)，由Ti2AlNb合金的TTT曲線[20]可知，高溫下無(wú)序的β相由于冷卻速度較快，在冷卻過(guò)程中的β→O/α2轉(zhuǎn)變將會(huì)受到嚴(yán)重抑制，從而轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻腂2相。因此可以確定，Ti-22Al-25Nb/TC4異種合金接頭的焊縫組織中，會(huì)存在有大量的B2相和α’馬氏體相，一般不會(huì)存在或者含有少量O/α2相。

圖8所示為不同焊接掃描頻率下焊縫組織的高倍數(shù)SEM圖，可以清楚的看到，3個(gè)試樣焊縫的相組成基本一致，都為B2相和α’馬氏體相。但在1號(hào)、2號(hào)試樣中，存在有極少量的O相，且2號(hào)樣的O相數(shù)量比1號(hào)樣多，這是因?yàn)樵趻呙桀l率加快作用下，熔池的溫度梯度不斷減小，冷卻速度也隨之變慢，較低的冷卻速度會(huì)使部分的β相轉(zhuǎn)變?yōu)镺相，掃描頻率越快，對(duì)焊后金屬進(jìn)行重復(fù)加熱的頻率越高，冷卻速度越慢，所轉(zhuǎn)變成的O相就越多。而3號(hào)樣的掃描頻率為0 Hz，冷卻速率最快，β相在冷卻過(guò)程中向O/α2相的轉(zhuǎn)變受到抑制，所以β相幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)锽2相，O相的含量最少。

圖8 焊縫微觀組織

2.3 力學(xué)性能與斷口分析

表 4為T(mén)i-22Al-25Nb/TC4激光振蕩掃描焊接頭的拉伸性能測(cè)試結(jié)果，從結(jié)果可以看出，抗拉強(qiáng)度最高的是2號(hào)試樣，為1 007 MPa，可達(dá)到TC4母材的88.6%；斷后伸長(zhǎng)率最高的也是2號(hào)試樣，為7.49%。拉伸斷口均位于熔合區(qū)(FZ)。拉伸斷口形貌如圖9所示，斷口表面未出現(xiàn)裂紋，拉伸試樣有明顯的頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明試樣在斷裂前有過(guò)塑性變形。從拉伸試樣的斷口形貌可以看出，3個(gè)試樣的拉伸斷口都存在有平整的斷裂面，且面方向垂直于應(yīng)力方向。斷口中分布著大小、深淺不一的韌窩，這是以韌性斷裂為主的韌性-脆性混合斷裂模式。從圖中可以看出，2號(hào)試樣(圖9c、圖9d)的宏觀斷口內(nèi)部分布大量韌窩，表明2號(hào)試樣接頭的塑性和韌性最高；而在圖9a、圖9b中，1號(hào)試樣的斷口宏觀上凹凸程度較大且存在明顯的撕裂棱，說(shuō)明1號(hào)試樣接頭的塑性和韌性最低。

表4 焊接接頭及母材的拉伸性能

圖9 接頭拉伸斷口掃描圖片

在設(shè)置的掃描頻率對(duì)照組中(即1號(hào)、2號(hào)、3號(hào))，掃描頻率由慢到快為3號(hào)試樣(f=0 Hz)、1號(hào)樣(f=200 Hz)、2號(hào)試樣(f=500 Hz)。從表得到抗拉強(qiáng)度由大到小排序是2號(hào)試樣大于1號(hào)試樣大于3號(hào)試樣。由分析可知，這是由于掃描頻率加快時(shí)，振蕩激光對(duì)熔池的攪動(dòng)作用越強(qiáng)烈，隨著熔體在熔池中劇烈地流動(dòng)，初始的枝晶被破碎，在熔池中形成新的形核點(diǎn)，從而極大地細(xì)化晶粒尺寸。由于晶粒細(xì)化可以提高材料的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，因此在2號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率最高，分別為1 007 MPa和7.49%。

3 結(jié)論

(1)Ti2AlNb/TC4異種合金激光振蕩掃描得到的焊接接頭成形良好，無(wú)咬邊、焊瘤、裂紋、未熔合和氣孔等缺陷。樣件正面、背面焊縫都呈現(xiàn)出銀白色的金屬光澤，在焊接過(guò)程中，通入的保護(hù)氣較好的保護(hù)了焊縫表面。

(2)Ti2AlNb/TC4異種合金接頭的焊縫組織由初生α相、大量的B2相和α’馬氏體相組成， O/α2相含量較少。

(3)當(dāng)激光振蕩掃描頻率達(dá)到500 Hz時(shí)，熔池中晶粒細(xì)化的效果最為明顯，焊縫的最大抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到1 007 MPa和7.49%。焊縫力學(xué)性能較激光不振蕩時(shí)有一定提升。

(4)Ti2AlNb/TC4異種合金接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)TC4母材的88.6%。接頭拉伸斷裂形式是以韌性斷裂為主的韌性-脆性混合斷裂模式。