ZTC4鈦合金氬弧焊補焊工藝及組織性能研究

孫兵兵，郭紹慶，肇恒躍，陳冰清，李勝男

（1.中國航空工業集團公司北京航空材料研究院，北京100095；2.駐沈飛工業集團公司軍代表室，遼寧沈陽110034）

ZTC4鈦合金氬弧焊補焊工藝及組織性能研究

孫兵兵1，郭紹慶1，肇恒躍2，陳冰清1，李勝男1

（1.中國航空工業集團公司北京航空材料研究院，北京100095；2.駐沈飛工業集團公司軍代表室，遼寧沈陽110034）

針對ZTC4鈦合金鑄件中出現的裂紋、夾雜等鑄造缺陷，對其進行氬弧焊補焊工藝及接頭組織性能評價研究。研究發現，補焊后的試板未發現氣孔、裂紋等缺陷，焊縫組織由大量針狀α′和β相組成；采用焊前預熱和焊后熱處理能最大程度地減小焊接殘余拉應力，防止焊接裂紋的產生；預熱焊接+熱處理接頭的室溫拉伸性能最好，與母材相當，室溫沖擊性能超過母材。

ZTC4；氬弧焊補焊；接頭組織性能；殘余應力

0 前言

ZTC4鑄造鈦合金比重小、比強度高、抗腐蝕性能高、高低溫力學性能好，是現代飛機、發動機結構常選用的骨干鈦合金材料。國內外許多重要飛機、發動機項目將鑄造鈦合金廣泛用于航空航天用發動機關鍵部件和飛機機身結構件的制造[1-4]。如美國F-22殲擊機采用了70多個鈦合金精鑄件，且機翼的50％由鈦合金鑄件構成；國內某型戰機也大量使用鈦合金熱等靜壓鑄件作為主要承力構件，確保了飛機的輕質、敏捷和低成本。而在ZTC4鈦合金整體精鑄中介機匣的研制中發現，鑄件存在氣孔、夾雜、裂紋等諸多缺陷，且鈦合金鑄件在熱等靜壓后經常會出現需要補焊的凹坑。故研究鈦合金整體鑄件鑄造缺陷的氬弧焊補焊技術有著重要的工程意義和明確的需求背景。在此針對ZTC4鈦合金整體精鑄中介機匣的焊接技術需求，研究其氬弧焊補焊工藝，包括焊接材料、氬弧焊工藝參數、焊接預熱及焊后熱處理工藝，分析接頭顯微組織，評估接頭力學性能，最終形成適用的鈦合金鑄件補焊工藝。

1 試驗材料和方法

試驗材料為δ=3.0 mm和δ=6.0 mm厚的ZTC4

板材，規格30 mm×100 mm，材料狀態為鑄造＋熱等靜壓。焊前，首先采用手持電動打磨槍在試片中心分別制備φ11 mm×2.5 mm和φ11 mm×5.5 mm的錐形孔，模擬缺陷；隨后對補焊位置進行酸洗，去除表面氧化層，酸洗配方為5HF∶35HNO3∶60H2O；試板烘干后再用丙酮擦拭，采用φ1.0 mm TC4焊絲，進行鎢極氬弧焊補焊試驗，焊接參數如表1所示，補焊時采取預熱和不預熱兩種方式，預熱溫度150℃± 10℃；焊接結束后，對試板分別進行不熱處理和焊后熱處理，熱處理制度730℃×2 h，真空處理；最后形成焊接、預熱焊接、焊接＋熱處理、預熱焊接＋熱處理四種狀態的補焊接頭。取四種狀態金相試樣各一塊進行接頭顯微組織分析，加工相關力學性能試樣進行室溫拉伸、沖擊性能測試，采用射線法測試四種狀態接頭殘余應力，測試點分布如圖1所示，每個點的測試方向如表2所示，分析預熱和焊后熱處理對ZTC4補焊接頭性能的影響。

表1 ZTC4板材鎢極氬弧焊補焊工藝參數

圖1 殘余應力測試點分布

表2 殘余應力測試點測量方向

2 試驗結果和分析

2.1 微觀組織分析

對四種狀態的接頭質量進行熒光和X射線檢測，結果顯示，焊縫中未發現任何氣孔、裂紋及未熔合缺陷。ZTC4補焊接頭不同狀態的金相宏觀組織如圖2所示，可以看出焊縫與基體結合良好，無氣孔、未熔合和裂紋缺陷；同時發現較之無預熱焊接，預熱焊接的焊縫組織更易形成規則且大尺寸的柱狀晶。這是因為兩者冷卻條件、溫度梯度不同，導致焊縫金屬在凝固時形核位置和生長方向相異。對于預熱焊接，溫度梯度最大的方向是由熔合線指向焊縫中心頂部的方向，其他與焊縫接觸位置溫度基本一致，形核生長方向沿著溫度梯度最大方向進行，因此形成了如圖2所示的規則完整的柱狀晶。

圖2 ZTC4補焊接頭不同狀態的金相宏觀組織

ZTC4補焊接頭預熱焊接＋焊后熱處理狀態的接頭組織照片如圖3所示，母材組織由片狀α+片間β相組成，晶粒粗大，焊縫組織由細針狀α+β相晶界組成，由母材到焊縫，α相尺寸減小、β相數量增多；在焊縫近母材部位β相數量最多，這是因為焊縫在凝固過程中，該處冷卻速度最快，高溫β相來不及再結晶形成α相，大量β相得以保留；焊縫中心冷卻速度相對較慢，高溫β相再結晶形成大量針狀α′相，晶粒粗大的β相晶界清晰可見。

2.2 力學性能分析

采用射線法分別對母材、焊接、預熱焊接、焊接＋焊后熱處理、預熱焊接＋焊后熱處理五種狀態下的接頭進行殘余應力測試，測試結果如圖4所示。由圖4可知：母材處于壓應力狀態，試板長度方向（y方向）較寬度方向（x方向）應力值總體更小；經過焊接后，x方向和y方向均出現了拉應力點，最大拉應力出現在焊點與母材交接處，達784 MPa，該應力接近于材料的屈服強度，而拉應力是導致補焊裂紋的主要原因，因此補焊的薄弱位置就在焊縫與母材交界處；預熱焊接后，y方向各點均為壓應力，x方向拉應力值也較不預熱焊接時明顯減小，說明焊前預熱可有效緩解殘余應力的產生，減緩焊接裂紋傾向；

經過焊后熱處理后，各測試點基本為壓應力，個別點拉應力值也明顯較小，焊接預熱+焊后熱處理能夠最大程度地降低焊接殘余應力。

圖3 ZTC4補焊接頭預熱焊接+焊后熱處理狀態的接頭組織照片

圖4 ZTC4接頭殘余應力分布曲線

對母材和四種狀態下接頭的室溫沖擊和拉伸性能進行測試，結果如表3和表4所示。四種狀態下接頭的沖擊性能均超過了母材，接頭室溫抗拉強度均超過了母材的97％～100％；焊接+熱處理后接頭強度略有下降，這是因為焊接后焊縫存在較大的殘余拉應力，直接進行高溫時效熱處理的應力快速釋放過程導致焊縫性能弱化；但預熱焊接+熱處理后接頭強度有較大提升，達到1 038 MPa。斷裂發生在近焊縫區母材，如圖5所示，可以得出預熱焊接+熱處理可獲得最優的接頭性能。

表3 ZTC4補焊接頭室溫拉伸性能

表4 ZTC4補焊接頭室溫沖擊性能

3 結論

（1）從母材到焊縫，α相尺寸減小、β相數量增多；在焊縫近母材部位，β相數量最多，

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Processing and microstructure properties of ZTC4 joints using TIG technology

SUN Bingbing1，GUO Shaoqing1，ZHAO Hengyue2，CHEN Bingqing1，LI Shengnan1
（1.Beijing Institute of Aeronautical Materials AVIC，Beijing 100095，China；2.Military Representative office of Shenyang Aircraft Corporation，Shenyang 10034，China）

In the paper，for crack and inclusions in the ZTC4 titanium alloy casting，the arc welding repair technology was studied，the microstructure and properties of the joints were analyzed.The study found that，there were not pores and cracks in the joints，the weld microstructure mainly consisted of mass of acicular α′and β phase；it could mostly decrease residual tensile stress with preheating and heat treatment after welding，in order toprevent crack generation；tensile strength at roomtemperature ofthe joints with preheatingand heat treatment after weldingwas best and was equal tobase metal，the impact toughness was higher than base metal.

ZTC4 titanium alloy；arc repair welding；microstructure and properties of joint；residual stress

TG444+.74

A

1001－2303（2016）07－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.22

2015-12-10

孫兵兵（1986—），男，陜西渭南人，碩士，主要從事航空材料的焊接性、焊接材料、焊接技術研究。