TC4-DT 鈦合金線性摩擦焊接頭組織特征及其形成機(jī)制

郭震國(guó), 馬鐵軍*, 李 菊, 李文亞, 周 輝

（1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院 陜西省摩擦焊接工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100024）

線性摩擦焊 (linear friction welding，LFW)可實(shí)現(xiàn)非軸對(duì)稱(chēng)復(fù)雜截面金屬構(gòu)件的固相連接[1-3]，已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)制造與修復(fù)的核心技術(shù)[4-5]。目前國(guó)內(nèi)外圍繞整體葉盤(pán)用航空鈦合金(TA19、Ti17 等)LFW 開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)研究[6-7]。以LFW 技術(shù)的高效性及高可靠性等顯著優(yōu)勢(shì)，分體制造+LFW 整體焊接可能發(fā)展成為未來(lái)航空承力結(jié)構(gòu)件制造的關(guān)鍵手段。中國(guó)航空制造技術(shù)研究院已申請(qǐng)了利用LFW 焊接飛機(jī)鈦合金框梁的專(zhuān)利[8]，并完成了某鈦合金承力梁的焊接實(shí)驗(yàn)研究[9]。損傷容限型鈦合金由于其低裂紋擴(kuò)展速率和高斷裂韌性的特點(diǎn)，在航空承力構(gòu)件的制造中應(yīng)用廣泛。因此，開(kāi)展損傷容限型鈦合金LFW 相關(guān)研究具有重要意義。

TC4-DT 鈦合金是我國(guó)西北有色金屬研究院和北京航空材料研究院共同研制的一款新型中強(qiáng)(Rm≥ 825 MPa)、高韌性(KIC≥ 90 MPa·m1/2)損傷容限型鈦合金[10-11]。該合金是在TC4 鈦合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)純凈化熔煉降低了C、N、O、H 等間隙元素，并通過(guò)新型β 熱處理工藝而獲得。由于晶粒尺寸較大，晶內(nèi)呈片層集束特征，TC4-DT 鈦合金具有很高的斷裂韌性，且兼具較高的強(qiáng)度與塑性，其性能與美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)F-22 上用量最大的損傷容限型鈦合金TC4 ELI 相當(dāng)[12-13]，主要用于制造飛機(jī)大型整體化框、梁等承力構(gòu)件。目前，針對(duì)TC4-DT 鈦合金LFW 焊接，僅有中國(guó)航空制造技術(shù)研究院進(jìn)行了接頭力學(xué)性能及焊接過(guò)程數(shù)值模擬的初期研究。劉穎等[14]發(fā)現(xiàn)，TC4-DT 鈦合金LFW 接頭經(jīng)過(guò)700 ℃+保溫3 h 的熱處理后，接頭的室溫和高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的97%，室溫和低溫沖擊性能略高于母材，室溫低周疲勞性能與母材相當(dāng)，具有良好的綜合力學(xué)性能。金俊龍等[15]建立了TC4-DT 鈦合金LFW 接頭三維剛塑性有限元模型，模擬結(jié)果顯示TC4-DT 鈦合金LFW 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)摩擦階段界面溫度達(dá)到了1200 ℃。本研究旨在深入開(kāi)展TC4-DT 鈦合金LFW 接頭組織特征及其形成機(jī)制研究，為掌握該合金重要構(gòu)件接頭形性控制工藝奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用TC4-DT 鈦合金母材(BM)微觀組織如圖1 所示。從光鏡組織(圖1（a）)可看出，母材為典型的魏氏組織，原始β 晶粒粗大，大部分尺寸超過(guò)500 μm；晶界α 清晰完整，β 晶粒內(nèi)部為不同位向的α 集束，不同α 集束尺寸存在較大差異。電鏡組織(圖1（b）)顯示，α 集束由位向相同的大長(zhǎng)寬比層片α 和層間β 組成，層片α 厚度約1.2～2 μm，層間β 厚度約0.1～0.4 μm，α/β 相界平直。TC4-DT 鈦合金母材的化學(xué)成分如表1 所示。

圖1 TC4-DT 母材微觀組織 （a） OM； （b） SEMFig. 1 BM microstructure of TC4-DT (a) OM； (b) SEM

表1 TC4-DT 鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of TC4-DT（mass fraction/%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

焊接實(shí)驗(yàn)在中國(guó)航空制造技術(shù)研究院自行研制的15 t LFW 焊機(jī)上進(jìn)行，焊接面面積為25 mm×12.5 mm。焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

焊后切割金相試樣，打磨拋光后，利用Kroll 試劑(0.5% HF+1.5% HNO3+2% HCl+96% H2O)腐蝕，隨后在PMG3 光學(xué)顯微鏡及G4 CX 型聚焦離子/電子雙束電鏡下觀察接頭宏、微觀組織特征。沿垂直于焊縫方向進(jìn)行接頭顯微硬度測(cè)試，步長(zhǎng)為100 μm，載荷為300 g，保壓時(shí)間為15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭光鏡組織特征

圖2 為接頭光鏡組織照片。由接頭縱向剖面低倍組織(圖2（a）)可看出，接頭中心到母材(BM)呈現(xiàn)出不同組織特點(diǎn)。接頭中心約300 μm 范圍內(nèi)組織細(xì)密均勻，為焊縫區(qū)(WZ)；靠近WZ 約300 μm 范圍內(nèi)組織發(fā)生明顯變形，該區(qū)域?yàn)闊崃τ绊憛^(qū)(TMAZ)；TMAZ 之外約1000 μm 范圍內(nèi)組織未發(fā)生變形，形貌與BM 基本相似，但可見(jiàn)淺色組織顯著增多，其為熱影響區(qū)(HAZ)。

圖2(b)為WZ 放大組織，其與BM 組織完全不同，晶粒明顯細(xì)化，表明WZ 在LFW 過(guò)程強(qiáng)烈的熱力耦合作用下發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。另外，由于LFW 過(guò)程周期性擠出高溫塑性金屬帶走大量的熱，WZ 與周?chē)覆男纬珊芨叩臏囟忍荻?，焊后冷卻速率快導(dǎo)致WZ 析出大量α′馬氏體，光鏡下呈現(xiàn)為交錯(cuò)的短黑線。

圖2(c)為T(mén)MAZ 放大組織。與等軸和雙態(tài)TC4 鈦合金LFW 接頭TMAZ 在較大寬度范圍內(nèi)由不同程度變形晶粒形成典型流線形貌的組織特征相比，TC4-DT 鈦合金LFW 接頭TMAZ 寬度明顯較窄，在基本小于BM 晶粒直徑均值范圍內(nèi)受強(qiáng)烈梯度熱-力影響形成如下特征：靠近WZ 區(qū)域，組織破碎和變形非常嚴(yán)重，已完全觀察不到原始晶界及層片組織形貌，且α/β 相界已無(wú)法辨認(rèn)；靠近HAZ 區(qū)域，可見(jiàn)部分α 集束在熱力耦合作用下發(fā)生了明顯彎折變形。上述的TMAZ 特征的形成，一方面在于LFW 局部大變形的工藝特點(diǎn)使TMAZ窄小區(qū)域內(nèi)受到強(qiáng)烈的熱力耦合作用；另一方面在于TC4-DT 優(yōu)異的損傷容限性能，魏氏組織的大尺寸晶粒及不同位向的α 集束大幅提高了組織的抗變形能力。正是因?yàn)檫@樣的TMAZ 特征，毗鄰該區(qū)域的母材組織僅受到熱的影響形成了鈦合金LFW 接頭不常見(jiàn)的HAZ。由HAZ 放大組織(圖2（d）)可看出，該區(qū)部分α 集束內(nèi)層片α/β 相界變得模糊不清，與BM 相比淺色區(qū)域明顯增多，說(shuō)明顯微組織發(fā)生了一定程度的變化。

圖2 接頭光鏡組織 （a） 縱剖面； （b） WZ； （c） TMAZ； （d） HAZFig. 2 OM microstructure of the joint (a) cross section； (b) WZ； (c) TMAZ； (d) HAZ

2.2 接頭電鏡組織特征

圖3 為接頭不同分區(qū)掃描電鏡組織。在WZ(圖3（a）)中可觀察到大量α′馬氏體，部分呈條塊狀，部分呈針狀。該組織特征表明LFW 過(guò)程中WZ 超過(guò)了β 轉(zhuǎn)變溫度(970 ℃)[14]，并發(fā)生了充分的α→β 轉(zhuǎn)變，在焊后快速的冷卻過(guò)程中高溫β 發(fā)生無(wú)擴(kuò)散型相變形成大量α′馬氏體。此外，WZ 還可觀察到許多細(xì)小的二次層片狀α。Lu 等[12]在研究TC4-DT 鈦合金電子束焊時(shí)發(fā)現(xiàn)，接頭熱影響區(qū)溫度超過(guò)β 轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生了β→α′轉(zhuǎn)變，還由于該區(qū)域溫度超過(guò)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生了β→α 擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，生成了許多細(xì)小的層片狀α。因此本研究認(rèn)為，TC4-DT 鈦合金的LFW 過(guò)程中WZ 也發(fā)生了β→α′及β→α 兩種相變。WZ 中針狀和條塊狀α′以及二次層片狀α 的大量析出掩蓋了再結(jié)晶β 晶粒的晶界，使得WZ 難以觀察到完整清晰的再結(jié)晶晶粒。

靠近WZ 的TMAZ 掃描電鏡組織如圖3(b)所示，組織沿線性摩擦方向破碎變形嚴(yán)重，已經(jīng)看不出母材中α 集束的組織特征。該區(qū)域可觀察到少量針狀α′馬氏體以及許多二次層片狀α，是由于焊接過(guò)程中鄰近WZ 溫度也超過(guò)了β 轉(zhuǎn)變溫度并發(fā)生了β→α′及β→α 轉(zhuǎn)變?？拷麳AZ 的TMAZ 電鏡組織如圖3(c)所示，可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域保留了大致的原始母材層片組織特征，熱力耦合的影響下α 集束明顯彎折變形，α/β 相界不再平直。此外，還可以看出層間β 內(nèi)大量析出二次層片狀α 而無(wú)α′馬氏體，表明該區(qū)域溫度低于β 轉(zhuǎn)變溫度。

與BM 組織對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，HAZ(圖3（d）)仍基本保留了母材原有的α 集束特征，但一些α 集束內(nèi)的層間β 含量明顯減少。這是由于HAZ 受到摩擦界面?zhèn)鬟f過(guò)來(lái)的熱量影響，加速了元素?cái)U(kuò)散過(guò)程，一些α 相在α/β 相界上通過(guò)元素?cái)U(kuò)散的方式消耗層間β 進(jìn)行長(zhǎng)大[16]，這也是光鏡下HAZ 淺色區(qū)域明顯增多的原因。

圖3 接頭不同區(qū)域電鏡組織 （a） WZ； （b） TMAZ 近WZ； （c） TMAZ 近HAZ； （d） HAZFig. 3 SEM microstructure of the joint (a) WZ； (b) TMAZ near WZ； (c) TMAZ near HAZ； (d) HAZ

2.3 接頭顯微硬度

接頭垂直于焊縫方向顯微硬度的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，顯微硬度值整體呈中間和兩側(cè)較低的“M”形分布。WZ 平均顯微硬度高于母材，約325HV 左右，是由于WZ 晶粒細(xì)小，且析出大量α′馬氏體及二次層片α，存在細(xì)晶強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化作用。TMAZ 平均顯微硬度值最高，達(dá)到350HV，是因?yàn)門(mén)MAZ 內(nèi)層片組織發(fā)生強(qiáng)烈變形引起形變強(qiáng)化，焊后冷卻過(guò)程中析出了少量α′馬氏體及大量細(xì)小的二次層片α，存在第二相強(qiáng)化。相比BM，HAZ 內(nèi)層間β 消耗，層片α 長(zhǎng)大粗化。由于β 相為體心立方結(jié)構(gòu)，其滑移系較多，顯微硬度較低；α 相為密排六方結(jié)構(gòu)，滑移系較少，顯微硬度較高。因此，HAZ 整體顯微硬度略高于BM，且越接近TMAZ 由于層間β 消耗程度越大，顯微硬度越高。由于TC4-DT 母材不同α 集束內(nèi)部層片α 相尺寸與位向存在差異，導(dǎo)致不同α 集束顯微硬度值也存在差異。HAZ 組織與BM 基本相似，均由尺寸與位向不同的α 集束組成，因此HAZ 和BM 顯微硬度值呈明顯的上下跳動(dòng)變化。

圖4 接頭顯微硬度分布Fig. 4 Microhardness distribution of the joint

3 結(jié)論

(1) TC4-DT 鈦合金LFW 接頭WZ 發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。焊接過(guò)程中WZ 溫度超過(guò)了β 轉(zhuǎn)變點(diǎn)，焊后快冷的條件下發(fā)生了β→α′及β→α 兩種相變，析出了條塊狀和針狀α′馬氏體以及二次層片α。細(xì)晶強(qiáng)化及第二相強(qiáng)化的作用使WZ 顯微硬度高于BM，達(dá)到325HV。

(2) 由于TC4-DT 鈦合金優(yōu)異的損傷容限性能，焊接過(guò)程中接頭組織表現(xiàn)出了較高的變形抗力，最終形成了較窄的TMAZ。TMAZ 內(nèi)組織變形嚴(yán)重，α 集束彎折甚至破碎，此外還在冷卻過(guò)程中析出了少量α′馬氏體及大量二次層片α。TMAZ組織的形變強(qiáng)化以及第二相強(qiáng)化使其顯微硬度最高，達(dá)到350HV。

(3) 由于TMAZ 較窄，毗鄰該區(qū)域的BM 組織僅受到熱的影響形成了鈦合金LFW 接頭不常見(jiàn)的HAZ。HAZ 保留了BM 不同位向的α 集束的組織特征，但在熱的作用下α 集束內(nèi)α/β 相界兩側(cè)元素相互擴(kuò)散，層間β 消耗，初生α 長(zhǎng)大，導(dǎo)致該區(qū)域顯微硬度略高于BM。