鈦合金的焊接軟化改進機制研究

畢研貞，王琦濤，劉榮偉，宋威振，雷貝貝

（長安大學，陜西 西安 710064）

鈦合金具有低密度，高強度比，極好的抗疲勞和抗腐蝕性能的特點，廣泛應用于航天、船舶、核能、汽車、化學工業等[1-3]。Ti17合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）是一種典型的α-β型鈦合金，具有豐富的β穩定元素。Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246，國標稱為TC19）和Ti17鈦合金是制造航空發動機的葉片、外殼的主要材料[4]。

鈦合金焊接一直受到廣泛的關注。由于當溫度超過550℃，特別是熔化階段，鈦易與空氣的氧、氮、碳反應，引起脆化[5]，導致其焊接性差。氬弧焊是鈦合金最常用的焊接方法[6]。早期的研究已知，當Mo的含量超過10wt%（質量分數）或更高，β相以馬氏體狀態存在于室溫[7-8]，出現軟化區。Tan L.J.等人[9]發現電子束焊接的不同接頭TC11和Ti-22Al-25Nb出現軟化區，由于在Ti-22Al-25Nb的熱影響區出現軟化相B2.同時Wang S.Q.等人[10]證實在電子束焊接的不同接頭鈦合金Ti17和Ti-6Al-4V，因為在Ti17側的熱影響區出現軟化和粗糙的β相，它的硬度低于母材。對于出現軟化區的鈦合金氬弧焊焊接接頭，疲勞破壞往往發生在軟化區，Wang S.Q.等人[10]證實疲勞破壞發生Ti17側的熱影響區。但目前的研究并沒有對軟化區提出改進措施。因此，利用另一種鈦合金Ti-6Al-4V（TC4）填充Ti17鈦合金和TC19鈦合金氬弧焊焊接接頭的軟化區，以改善焊接接頭的微觀結構和硬度值。研究了Ti-6Al-4V對接頭的硬度和微觀結構的影響。

1 材料和實驗過程

本實驗用的材料是200 mm×100 mm×5 mmTi17鈦合金板材、直徑為2 mm的Ti-6Al-4V鈦合金、直徑為5 mmTC19鈦合金棒材和TA9鈦合金棒材。其中Ti17和TC19鈦合金作為母材，TC4和TA9分別作為填充材料，其化學組成列于表1.

表1 鈦合金的化學組成（質量分數）

所有的實驗均在室溫下進行。焊接之前需對材料進行機械和化學清洗，利用線切割機加工成所需尺寸，焊接之前尺寸100 mm×50 mm×5 mm，焊完之后200 mm×100 mm×5 mm，如圖1所示。氬弧焊焊接鈦合金采用弧電流100 A，焊接電壓380 V，采用對接接頭V型90°坡口，焊完之后尺寸為100 mm×120 mm×5 mm.

圖1 焊接的示意圖

焊接試樣如圖1和圖2所示。金相材料樣品沿垂直于焊接方向從焊接接頭用線切割機取樣，試樣尺寸40 mm×30 mm×5 mm，每組試樣共有三組，試樣利用金剛砂紙從粗到細進行打磨、金相實驗拋光機拋光，腐蝕采用 Kroll’s修正試劑（HF∶HN∶O=1∶2∶5）。微觀結構使用光學顯微鏡觀察。硬度測試利用硬度機測試，沿垂直于焊接方向的截面方向，間隔1 mm、100 g加載，持續15 s.

圖2 焊接拉伸試樣

2 結果分析

2.1 硬度結果和分析

如圖3所示，對于Ti17和TC19測試硬度為從中間開始，向右的區域，也就是D和A的區域，再加上母材的區域。在TC19和Ti17焊接加入TC4，測試微觀硬度是從中間開始，向左的區域，也就是C、E、B的區域，再加上母材的區域。而之前Ti17和TC19焊接加入TA9，測試微觀硬度是從中間開始，向左的區域，也就是C、E、B的區域，再加上母材的區域。與上面不同的是在E區，焊接的是TA9，三個微觀硬度圖均從中間開始，所以顯示剛開始的硬度最高。

圖3 微觀硬度測試圖

Ti17和TC19的焊接接頭從圖4中可以看出，在Ti17側的熱影響區在距離5～10 mm出現焊接軟化區（在熱影響區，該區域的硬度明顯低于母材定義為軟化區，），如果在TC19和Ti17焊接加入TC4，可以填充軟化區域，在此區域硬度有增加，而之前Ti17和TC19焊接加入TA9，不僅沒有提高硬度，使焊縫區的硬度降低。如圖4所示。

圖 4TC19-Ti17，TC19-TC4-Ti17，TC19-TA9-Ti17焊接接頭的硬度分布

2.2 微觀結構結果和分析

微觀結構圖是沿著圖3的C-E-B方向和D-A方向利用金相顯微鏡獲得。圖5顯示Ti17、Ti-6Al-4V的母材，圖6為 Ti17和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo焊接接頭的微觀結構。從圖5可以看出，Ti17的結構是極好的α片嵌入在β基體中（圖5a）。然而Ti-6Al-4V是典型的雙峰結構，由等軸α相和間粒狀α+β片晶組成（圖5b）。相應的氬弧焊焊后接頭的微觀結構接頭的變化示于圖4，熔融區是寬的，因為氬弧焊本身熱輸入較大。熱影響區的寬度大約為5 mm.

圖5 實驗所用的鈦合金的微觀結構

圖6Ti17與TC19利用氬弧焊焊接接頭的微觀結構。

圖6 b主要是由α″相和β相組成，因為其硬度低于針狀α′，尤其在焊接區形成的馬氏體（針狀）α′，從微觀結構看，軟化區的顏色明顯深于其他區域。同樣在硬度分布中，證實了此點。其硬度低于母材和焊縫的硬度。因此將該區定義為軟化區。由于TC4的加入，Ti17與TC19的焊接接頭的出現了改進區，從圖中可以看出明顯與其他地方不同。主要因為這塊區域是由針狀α′和α″構成。

3 結論

通過一系列的試驗和觀察，可以得到以下結論：

1）Ti17與TC19利用氬弧焊焊接在一起有明顯的軟化區域，由α″相和β相組成。

2）Ti17與TC19焊接加入TC4后在硬度上有明顯的改善，故在Ti17與TC19焊接時可以加入TC4，用以改善接頭的疲勞性能。

3）Ti17與TC19焊接加入TA9，不僅沒有改善軟化區的硬度，還降低了焊縫的硬度。

參考文獻：

[1]Liu C，Zhang JX，Wu B，Numerical investigation on the vari ation ofwelding stresses after material removal from a thick titanium alloy platejoined by electron beam welding[J].Mater Des，2012（34)：609-17.

[2]Wang SG，Wu XQ.Investigation on the microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V alloy joints with elec tron beam welding[J].Mater Des 2012（36）：663-70.

[3]Lu W，Shi YW，Lei YP.Effect of electron beam welding on the microstructures and mechanical properties of thick TC4-DT alloy[J].Mater Des，2012（34）：509-15.

[4]Xu J，Zeng W，Zhao Y.Effect of globularization behavior of the lamellar alpha on tensile properties of Ti-17 alloy[J].Al loys Compd，2016（673）：86-92.

[5]Noolua NJ，Kerra HW，Zhoua Y.Laser weld ability of Pt and Ti alloys[J].Mater Sci Eng A，2005（397）：8-15

[6]Balasubramanian M，Jayabalan V，Balasubramanian V.Pre diction and optimization of pulsed current gas tungsten arc welding process parametersto obtain sound weld pool geome try in titanium alloy using lexicographic method[J].ASM Int JMEPEG，2009（18）：871-7.

[7]Ho WF，Ju CP，Lin JHC.Structure and properties of cast binary Ti–Mo alloys[J].Biomaterials，1999（20）：2115-22.

[8]Davis R，Flower HM，West DRF.Martensitic transformations in Ti–Mo alloys[J].Mater Sci，1979，14：712-22.

[9]Tan LJ，Yao ZK，Zhou W，Guo HZ，Zhao.Microstructure and properties of electron beam welded joint of Ti-22Al–25Nb/TC11[J].Aerospace Sci Technol，2010（14）：302-6.

[10]Wang SQ，Liu JH，Chen DL.Strain-controlled fatigue prop erties of dissimilar welded joints between Ti-6Al-4V and Ti-17 alloys[J].Mater Des，2013（49）：716-27.