TC4鈦合金焊接接頭組織不均勻性與疲勞性能

李清華,胡樹兵,李行志,肖建中,王亞軍,劉 昕,籍龍波

(1華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室,武漢430074; 2北京航空制造工程研究所,北京100024)

TC4鈦合金焊接接頭組織不均勻性與疲勞性能

李清華1,胡樹兵1,李行志1,肖建中1,王亞軍2,劉 昕2,籍龍波1

(1華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室,武漢430074; 2北京航空制造工程研究所,北京100024)

對 TC4鈦合金電子束焊接四種典型熔凝區形狀(釘形、漏斗形、楔形和鐘罩形)焊接接頭的微觀組織進行了觀察分析,并采用多晶局域梯度模型表征焊縫組織不均勻性,通過疲勞實驗,建立焊接接頭的組織不均勻性和疲勞性能的關系。結果表明:焊縫上端縱向柱狀晶長度尺寸梯度變化較大的楔形形貌焊接接頭疲勞壽命較低,梯度變化較小的鐘罩形焊縫形貌接頭疲勞壽命較高;疲勞裂紋多萌生于橫向區域硬度梯度變化較大的熱影響區和熔合線區域。

TC4鈦合金;電子束焊接;多晶局域梯度模型;疲勞

Abstract:Local gradient simulation technology was used as a new method to describe the microstructure heterogenicity of TC4 weld joints,by observing the microstructure,testing the dimension of columnar grains,the lateral microhardness and conducting the fatigue experiment.The results show that the heterogenicity of the microstructure has an influence on the fatigue property of the weld joints.Fatigue life of the bell shaped weld joint with relatively homogeneous microstructure is higher than the wedge shaped weld joint with heterogeneous microstructure.The initiation of fatigue cracks is in the HAZ and the fusion line,where have high gradient of the lateral microhardness.

Key words:TC4 alloy;electron beam welding;local gradient simulation technology;fatigue property

TC4鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、綜合性能優越等特點,使它在航空航天、化學機械、醫藥工程以及休閑行業得到廣泛應用。電子束焊接(Electron Beam Welding,EBW)是目前最成熟的高能束流加工方法之一,TC4鈦合金非常適合于采用真空電子束焊接技術進行連接加工。然而目前 TC4鈦合金電子束焊接的主要問題表現在由于焊接過程中焊接區域將發生相結構轉變,引起焊后接頭的宏觀力學性能發生變化[1],具體表現為接頭焊縫區強度較高、硬度較大,塑性較低以及熱影響區的力學性能與母材和焊縫性能上的不匹配性等都嚴重影響 TC4電子束焊接構件的整體性能[2-4]。因此,對 TC4鈦合金電子束焊接工藝的宏觀力學性能與微觀結構的關系的研究具有十分重要的實用價值,而國內這方面的實驗研究比較缺乏。本工作希冀通過引入新的鈦合金顯微組織不均勻性表征方法(多晶局域梯度模型)和大量的低周疲勞實驗,綜合考察TC4鈦合金的微觀組織不均勻性與疲勞性能的對應關系,通過研究結果力求建立電子束焊接工藝宏觀力學性能與微觀結構之間關系的橋梁,為深入研究電子束焊接工藝評定方法提供理論和實驗基礎規范。

1 實驗材料

鈦合金樣品采用 TC4熱軋板材,板厚為20mm,經檢測其化學成分如表1所示。焊接方法采用電子束焊接,焊接試樣尺寸為200mm×180mm×20mm,焊縫垂直于軋向,位于試樣中間,焊后熱處理為650℃,保溫4h。各試樣的具體焊接工藝參數如表2所示。

表1 TC4鈦合金的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical composition of TC4 alloy(mass fraction/%)

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2 實驗方法

采用腐蝕劑(HF,HNO3和 H2O比例為3∶5∶100)腐蝕出焊縫金屬組織;先后用OL YMPUS-TOKYO型金相顯微鏡和Image-Pro Plus程序軟件對焊縫金屬顯微組織進行觀察與β柱狀晶尺寸測量,在BUEHLER型顯微硬度計上測試焊接接頭顯微硬度,載荷為1.96N。

實驗采用多晶局域梯度模型來進行 TC4鈦合金焊縫接頭組織不均勻性的表征(圖1),以焊縫縱向中軸線為縱坐標Y軸,以焊縫上部表面為基準,至焊縫下端長度等分為大致6等分,距表面距離1/6,3/6, 5/6處分別作水平X1,X2,X3軸,建立坐標系。以某特征組織尺寸Di為變量(Di為柱狀晶尺寸),利用定量金相技術、計算機圖形處理技術、SEM等手段測定沿X軸和Y軸的Di分布,獲得組織尺寸變化分布Di-X,Di-Y曲線,再轉換成組織尺寸變化梯度分布;同樣方法利用硬度計,建立硬度分布曲線H-Xi(i=1,2, 3),進而獲得硬度梯度分布曲線|dH/dXi|-Xi(i=1, 2,3)。

實際處理過程中,一般會出現一定范圍的波動,應以組織特征尺寸分布、硬度分布的擬合光滑曲線為參考進行相應組織尺寸梯度分布、硬度梯度分布轉換分析。

硬度梯度變化、組織尺寸梯度變化更能突出組織不均勻程度。某特征參數梯度變化越大(焊縫上、中、下部位),則組織的不均勻性越大。

圖1 顯微組織不均勻性表征參數Fig.1 Parameters expression of microstructure heterogenicity

為說明 TC4鈦合金顯微組織不均勻性和疲勞性能之間的關系,本工作設計了一種光滑疲勞試樣(圖2),其中試樣寬度16mm,去除焊縫余高和上下部各2mm,以去除幾何應力集中和熔合線氣孔等疲勞裂紋萌生因素,更好反映顯微組織不均勻性和疲勞性能之間的關系。用SHIMADZU EA-10型電液伺服疲勞試驗機進行低周疲勞實驗,疲勞實驗頻率為10Hz,正弦波 ,應力比 0.1,應力水平 0.6σb。

3 實驗結果與分析

3.1 接頭柱狀晶尺寸梯度不均勻性表征

圖3給出了 TC4鈦合金四種典型形狀的接頭不同區域的焊縫組織形貌。四種形貌焊縫的接頭組織均為粗大的β柱狀晶粒,晶內為針狀α′馬氏體組織[3,5,6]。電子束焊時,β柱狀晶以母材半熔化晶粒為基底通過聯生結晶外延生長而成。在焊接熱循環的作用下,熔池邊界半熔化晶粒的尺寸十分粗大,致使與之聯生結晶而成的β柱狀晶也十分粗大。β柱狀晶的生長方向總是沿著最大散熱方向進行。在焊縫中部平直區段,β柱狀晶從焊縫兩側的熔合線向焊縫中心相對生長。然而在焊縫上部和焊縫下部區域,靠近焊縫平直區段的β柱狀晶首先由熔合線向焊縫中心相對生長,但由于先期凝固的焊縫中部組織改變了散熱條件, β柱狀晶在焊縫中心處改變其生長方向并幾乎垂直地向焊縫表面生長?？拷缚p表面的β柱狀晶則直接由熔合線向焊縫表面中心生長。

圖2 TC4板條狀疲勞試樣Fig.2 Fatigue specimen of TC4 alloy

圖3 TC4鈦合金四種典型焊縫組織形貌(a)漏斗形;(b)釘形;(c)鐘罩形;(d)楔形Fig.3 Microstructures and morphologies of TC4 four welding seams (a)funnel shape;(b)nail shape;(c)bell shape;(d)wedge shape

按照前述多晶局域梯度模型實驗方法,采用Image-Pro Plus程序軟件縱向測量四種焊縫形貌接頭β柱狀晶長度尺寸,測試在50倍放大的金相照片上進行,從焊縫底部至頂部選擇40個視場,每個視場隨機測量若干個β柱狀晶長度尺寸取平均值,然后用Origin軟件繪制出β柱狀晶長度尺寸縱向分布曲線(圖 4)。

圖4 四種形貌焊縫柱狀晶長度縱向分布曲線(a)漏斗形;(b)釘形;(c)鐘罩形;(d)楔形Fig.4 Columnar grain length vertical distribution curves of four welding seam appearances (a)funnel shape;(b)nail shape;(c)bell shape;(d)wedge shape

圖5 四種形貌焊縫柱狀晶縱向擬合尺寸分布曲線Fig.5 Columnar grain fitting length vertical distribution curves of four welding seam appearances

由圖4可以看出,漏斗形(圖 4(a))、釘形(圖 4 (b))和鐘罩形(圖4(c))焊縫下部區域柱晶長度尺寸分布均為類拋物線,張開角從小到大依次為漏斗形、釘形和鐘罩形。在焊縫中上部區域,漏斗形焊縫柱晶尺寸在距焊縫下表面13800μm處有一定幅度的提升,使得其上部焊縫區域柱晶長度尺寸沿另一條類拋物線分布;釘形焊縫柱晶尺寸在距焊縫下表面17500μm處呈直線快速增長趨勢;鐘罩形焊縫柱晶尺寸變化不大,分布曲線趨于與水平軸平行。楔形(圖4(d))焊縫柱晶長度尺寸呈直線增長趨勢。在余高部分(20000μm以上),四種形貌焊縫柱晶粗大,柱晶生長方向趨于焊縫上表面中心,柱晶尺寸變化幅度較大。

圖5是用Origin程序軟件將圖4四條分布曲線去除余高部分后擬合在一起的柱晶尺寸分布圖。擬合后的分曲線保持原有各曲線的分布規律,曲線更加平滑,按多晶局域梯度模型實驗方法計算柱晶長度尺寸變化梯度,并繪制梯度分布曲線,如圖6所示。

由圖6可以看出,柱晶長度尺寸梯度分布曲線與柱晶長度尺寸分布曲線具有一定的對應關系。楔形焊縫柱晶長度尺寸梯度基本呈常數分布,數值浮動在C1=0.1左右,在13000μm處,梯度變化幅度稍有提升,數值浮動在C2=0.12左右,楔形焊縫柱晶尺寸梯度的非零常數分布反映了其柱晶長度尺寸沿焊縫縱向呈直線增長趨勢,數值越大,增長趨勢越快,組織不均勻程度越高。對于漏斗形、釘形和鐘罩形三種焊縫形貌而言,在0～5000μm區域,三種焊縫形貌柱晶尺寸梯度分布差別不大,反映出該區域內三種形貌焊縫的組織不均勻程度相當;在5000～13000μm焊縫區域,漏斗形和釘形焊縫柱晶尺寸梯度呈常數分布,數值浮動在C3=0.02左右,鐘罩形焊縫柱晶尺寸梯度呈緩慢下降趨勢,數值從0.06下降至0.00,該區域三種焊縫梯度值都比較小,對應的組織不均勻程度較低;13000μm以上區域,漏斗形焊縫柱晶尺寸梯度數值有所提高,波動幅度也較大,柱晶尺寸波動增大,不均勻程度提高;釘形焊縫在13000～17000μm區域柱晶尺寸梯度維持原有態勢,數值浮動在0.02左右,在高于17000μm區域梯度數值飆升,組織尺寸變化極為劇烈;鐘罩形焊縫在13000～17000μm區域柱晶尺寸梯度數值浮動在0.00左右,即此段柱晶尺寸基本沒有變化,在高于17000μm區域梯度數值有所提升,但浮動不大?？偟膩砜?在焊縫下端,鐘罩形焊縫柱晶長度尺寸梯度變化略高于其他三種焊縫形貌,但由于焊縫下端柱晶尺寸細小,綜合力學性能較好,尺寸梯度大小對其沒有決定性的影響;在焊縫上端,鐘罩形焊縫柱晶長度尺寸梯度變化明顯低于其他三種焊縫形貌,楔形焊縫柱晶長度尺寸梯度變化較大,并且焊縫上端柱晶粗大,組織尺寸的不均勻程度對焊接接頭的力學性能有一定的影響。

前文提到,TC4鈦合金焊縫的接頭組織均為粗大的β柱狀晶粒,晶內為針狀α′馬氏體組織,即β柱晶的尺寸一定程度上反映了晶內α′馬氏體的組織尺寸,表3給出了TC4鈦合金四種典型熔凝區形狀接頭距焊縫上表面1/6,3/6和5/6三處橫向晶內α′馬氏體的平均組織尺寸。由表3可見,焊縫的宏觀形貌和β柱晶尺寸直接影響了晶內α′馬氏體的組織尺寸。α′馬氏體的平均尺寸分布變化規律基本與β柱晶長度尺寸分布變化規律一致,即鐘罩形焊縫晶內α′馬氏體的平均尺寸變化最小(1/6處馬氏體的平均尺寸約為3/6處馬氏體平均尺寸的1.5倍),而楔形焊縫晶內α′馬氏體的平均尺寸變化最大(1/6處馬氏體的平均尺寸約為3/6處馬氏體平均尺寸的5倍),漏斗形和釘形焊縫晶內α′馬氏體的平均尺寸變化居中。

圖6 四種形貌焊縫柱狀晶長度尺寸縱向梯度分布曲線Fig.6 Columnar grain length gradient variation curves of four welding seam appearances

表3 TC4焊接接頭三處橫向晶內α′馬氏體的組織尺寸/μmTable 3 α′martensite dimension in three different welding areas/μm

3.2 橫向顯微硬度梯度不均勻性表征

用BUEHL ER型顯微硬度計測試焊接接頭1/6, 3/6和5/6處橫向顯微硬度,結果發現熔凝區各區域(包括焊縫和熱影響區)的顯微硬度均高于母材,基本趨勢是母材區的硬度圍繞310HV0.2波動;在熱影響區硬度變化較快,平均值為320HV0.2;熔合線附近的硬度也有增長趨勢,焊縫硬度平均值為335HV0.2。顯然,焊縫和熱影響區硬度的升高與高硬度馬氏體組織的形成有關,鈦合金中的馬氏體不能像鋼中的馬氏體那樣顯著提高合金的強度和硬度,鈦合金中馬氏體α′的硬度只略高于α固溶體,對合金的強化作用小。圖7給出了四種形貌焊縫距上表面1/6,3/6和5/6處橫向顯微硬度變化。

按上述實驗方法將顯微硬度分布曲線進行擬合并作出硬度梯度分布曲線,如圖8所示。

由圖8可以看出,就每一種焊縫而言,橫向硬度梯度分布都存在這一規律,即熱影響區和熔合線附近顯微硬度的梯度變化都要明顯大于母材和焊縫的梯度變化,這主要是因為該部分區域是焊接件組織變化最劇烈的地方,并且寬度較窄,在這個范圍內,組織由α+β等軸組織轉變為針狀α′馬氏體組織;縱向比較同種焊縫硬度梯度峰值可見,5/6處硬度梯度峰值高于3/6和1/6處的梯度峰值,這主要是因為焊縫下端在整個焊接過程中熱量散失最快,冷卻速率大造成組織轉變迅速的緣故。將四種形貌焊縫硬度梯度比較可以看出,鐘罩形焊縫硬度梯度峰值明顯低于其他三種形貌焊縫,楔形和漏斗形梯度峰值比較高,文獻[2]表明,TC4鈦合金中焊縫的硬度與焊縫中針狀α′相的含量有一定的關系,針狀α′相越多,焊縫金屬硬度越高。

4 低周疲勞實驗

通過四種典型形貌焊縫的光滑疲勞試樣的低周疲勞實驗結果分析,本研究發現焊接接頭的疲勞性能與接頭組織和顯微組織梯度分布有若干聯系。

圖9為 TC4鈦合金四種典型熔凝區形狀接頭的疲勞壽命。由圖9可見,就焊縫的中值疲勞壽命而言,鐘罩形焊縫疲勞性能相對較好,而楔形焊縫的疲勞性能相對最差。

圖9 TC4鈦合金四種典型熔凝區形狀接頭的疲勞壽命Fig.9 The fatigue life of four classic welding seam appearances of TC4 alloy

實驗發現,焊接接頭疲勞裂紋幾乎都在焊縫上端熔合線附近區域萌生,萌生于上端主要是因為焊縫上端晶粒尺寸較焊縫底端粗大,抗裂紋萌生性能較差,而萌生于熔合線附近可以從圖7所示的硬度梯度大小角度分析,因為熔合線附近區域硬度梯度變化劇烈,顯微組織不均勻程度高,可以認為此區域為焊接接頭的薄弱部位,并且有關文獻[7]研究結果表明,鈦合金焊接接頭在熔合線區域的殘余應力拉應力較高,這可能也是造成此區域疲勞性能較差的原因之一。TC4疲勞壽命主要包括疲勞裂紋萌生壽命和疲勞裂紋擴展壽命,而疲勞裂紋萌生壽命占疲勞總壽命的一大部分,結合圖6所示的柱晶尺寸梯度分布可以看出,鐘罩形焊縫在疲勞裂紋萌生段(即焊縫上端)的柱晶尺寸梯度最小,數值基本為零,而楔形焊縫在疲勞裂紋萌生段的柱晶尺寸梯度最大,數值為0.12,釘形和漏斗形焊縫梯度變化居中,從而造成疲勞裂紋萌生壽命的高低,進而造成疲勞總壽命的差異。

5 結論

(1)四種形貌焊縫的柱晶長度尺寸梯度分析表明,鐘罩形焊縫梯度變化最小,漏斗形和釘形次之,楔形焊縫尺寸梯度變化最大,且與晶內α′馬氏體的平均尺寸分布變化規律相似。

(2)四種形貌焊縫的橫向硬度梯度分析表明,熱影響區和熔合線附近硬度梯度變化要明顯大于母材和焊縫區域;5/6處硬度梯度峰值高于3/6和1/6處的梯度峰值;鐘罩形焊縫硬度梯度峰值最低,楔形和漏斗形梯度峰值比較高。

(3)綜合分析四種典型熔凝區形狀接頭的尺寸梯度分布和橫向硬度梯度分布,結果表明,鐘罩形焊縫的顯微組織不均勻程度最小,楔形焊縫的顯微組織不均勻程度最大,并通過低周疲勞實驗證明了顯微組織的不均勻程度與焊接接頭疲勞性能之間有著密切的聯系。

(4)焊接接頭疲勞裂紋幾乎都在硬度梯度較大的區域萌生,在疲勞裂紋萌生階段梯度變化最小的鐘罩形焊縫疲勞壽命最高,而梯度變化最大的楔形形貌焊縫疲勞壽命最低。

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Microstructure Heterogenicity and Fatigue Property of Weld Joints of TC4 Titanium Alloy

LI Qing-hua1,HU Shu-bing1,LI Xing-zhi1,XIAO Jian-zhong1, WAN G Ya-jun2,LIU Xin2,J I Long-bo1
(1 State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology, Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074,China; 2 Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,Beijing 100024,China)

TG146.2

A

1001-4381(2010)01-0062-07

2009-06-05;

2009-11-18

李清華(1984—),男,碩士研究生,從事鈦合金、鋼鐵材料方面研究工作,聯系地址:武漢市洪山區珞瑜路1037號華中科技大學材料科學與工程學院(430074),E-mail:leeqinghua@126.com

胡樹兵(1963—),男,教授,研究方向:材料表面工程,功能材料,聯系地址:武漢市洪山區珞瑜路1037號華中科技大學材料科學與工程學院(430074),E-mail:hushubing@163.com