Ti6Al4V脈沖激光焊接頭高溫力學性能研究

劉晶 高曉龍

摘 要：為了研究溫度對鈦合金薄板脈沖激光焊接頭拉伸性能和疲勞性能的影響，采用與母材對比的實驗方法，分別測試了不同溫度下母材和激光焊接頭的拉伸和疲勞性能，并利用掃描電鏡對拉伸和疲勞斷裂后的試樣斷口和組織進行觀察。結果表明，Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣的拉伸強度和疲勞壽命隨著溫度的升高而降低，300 ℃時母材和接頭的抗拉強度分別降低了26.2%和31.6%，疲勞壽命分別降低了83.6%和77.8%；通過對疲勞斷裂后的組織觀察，發現Ti6Al4V脈沖激光焊接頭的疲勞損傷集中于焊縫區域，并且隨著溫度的升高，Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣表面的組織變形程度增大從而導致了疲勞壽命的降低。研究結果對提高鈦合金壽命和使用安全性有參考價值。

關鍵詞：有色金屬及其合金；激光焊接；高溫；疲勞；力學性能

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）04-0299-07doi：10.7535/hbkd.2018yx04002

Abstract： To evaluate the effect of temperature on the mechanical properties of Ti6Al4V pulsed laser beam welding （LBW） joint， the mechanical properties are tested by tensile and fatigue tests under different temperature with comparison method， and the microstructure characteristic and fracture morphology are observed by optical microscope （OM） and scanning electron microscope （SEM）. The results show that the tensile strength and the fatigue life of the LBW joints and the base metal specimens decline significantly as the temperature rises， the tensile strength of the base metal and the LBW joint under 300 ℃ are reduced by 26.2% and 31.6%， respectively， and the fatigue life of the base metal and the LBW joint under 300 ℃ are reduced by 83.6% and 77.8%， respectively. The microstructure observation after the fatigue fracture shows that the fatigue damage is concentrated in the fusion zone， and with the increase of temperature， the deformation on the surface of all the specimens increases， inducing the reduction of the fatigue life. The research result provides reference for the improvement of the lifetime and application safety of titanium alloys.

Keywords：non-ferrous metals and its alloy； laser welding； high temperature； fatigue； mechanical performance

鈦合金由于具有優良的綜合力學性能被廣泛應用于航空、航天和石油化工等行業[1-5]，因而鈦合金構件的服役環境溫度具有較大的變化。在不同的環境溫度下，鈦合金如果發生了某些組織轉變及力學性能的變化，將會對整體結構的壽命及安全產生極大的影響[6-9]。因此，研究鈦合金在不同溫度下的組織及力學性能的差異對于鈦合金構件的安全使用具有重要意義。

河北科技大學學報2018年第4期劉 晶，等：Ti6Al4V脈沖激光焊接頭高溫力學性能研究在鈦合金使用過程中，焊接結構由于能夠明顯地減少鈦合金復雜結構成形的困難且能夠節約原材料而被廣泛使用。激光焊由于具有較小的熱輸入及較高的焊接速度，能夠提供高質量的鈦合金焊接接頭[10-14]。

WANG等[15]研究了25～450 ℃之間Ti6Al4V激光焊接（LBW）頭拉伸性能的影響，研究結果表明在所有的拉伸溫度下，焊接接頭的斷裂位置都出現在母材區域，呈韌窩斷裂模式，并且隨著拉伸溫度的增加，Ti6Al4V的激光焊接頭的拉伸強度和屈服強度降低。CHENG等[16]研究了Ti6Al4V激光焊接頭在高溫下的超塑性行為，結果表明當溫度在920 ℃，應變速率為10-3/s和10-1/s時，Ti6Al4V激光焊接頭表現出了典型的超塑性行為。組織觀察結果表明，在較高溫度下及較低的應變速率下，Ti6Al4V激光焊接頭焊縫組織發生了動態再結晶，使得Ti6Al4V激光焊接頭呈現超塑性行為。在鈦合金構件的服役過程中，疲勞是主要的失效形式。FOTOVATI等[17]利用人工神經網絡預測了溫度對Ti6Al4V裂紋擴展速率的影響，結果表明利用人工神經網絡可以準確地預測Ti6Al4V裂紋擴展速率。周永峰等[18]研究了TC4鈦合金板材電子束焊接疲勞性能，發現焊縫柱狀晶內的網籃狀馬氏體組織越粗大，裂紋擴展性能越差；裂紋的擴展方式主要是穿晶斷裂。

NALLA等[19]研究了激光強沖擊表面處理對Ti6Al4V疲勞壽命的影響，發現經過激光強沖擊后，在Ti6Al4V表面形成一層由納米晶構成的硬化層，即使在450 ℃時，試樣表面的殘余應力被釋放，但是硬化層的組織仍然保持穩定，而硬化層能夠減小循環變形時的塑性應變幅度，從而提高了Ti6Al4V鈦合金的疲勞壽命。ALTENBERGER等[20]也證明采用激光強沖擊和深度軋制的辦法能夠顯著地提升Ti6Al4V鈦合金的高溫疲勞壽命。陶佳躍等[21]研究了鈦合金高溫疲勞性能，通過壽命分布模型的檢驗，得到其有效數據點遵循正態分布的結論。

盡管關于Ti6Al4V鈦合金高溫疲勞性能的研究已有很多，但關于Ti6Al4V激光焊接頭高溫疲勞壽命的研究較少。相比于傳統的焊接方法，脈沖激光焊接具有更高的溫度梯度、更快的冷卻速率，使得焊接接頭的焊縫組織細化及殘余變形變小，即脈沖激光焊接對于焊接Ti6Al4V薄板具有明顯的優勢。因此，研究溫度對Ti6Al4V脈沖激光焊接頭疲勞性能的影響具有重要的工程應用價值。

本文對比研究了溫度對0.8 mm厚鈦合金薄板脈沖激光焊接頭和母材試樣的疲勞性能的影響規律。對疲勞斷裂后的試樣和組織進行了掃描電鏡觀察，揭示不同溫度下Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣的疲勞失效機理。

1 實驗材料及方法

焊接材料為0.8 mm厚的Ti6Al4V鈦合金薄板，試板尺寸為220 mm×110 mm×0.8 mm，利用JHM-1GXY-400X型脈沖激光器對兩塊試板進行對焊，焊接工藝參數見表1。為防止焊縫及高溫區域被氧化，采用Ar作為保護氣體。

利用掃描電鏡對Ti6Al4V脈沖激光焊接頭橫截面上的組織進行觀察。對Ti6Al4V脈沖激光焊接頭進行了顯微硬度測試，測試位置在焊縫橫截面的中部，測試載荷為100 g，保載時間為10 s。

在環境溫度為25，120，210和300 ℃的條件下測試了Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣的拉伸性能和疲勞性能。拉伸試樣和疲勞試樣采用了相同的尺寸，如圖1所示。對試樣表面進行了電解拋光處理以觀察疲勞斷裂后表面組織的變化，疲勞測試在MTS平面雙軸材料試驗機上進行，采用應力控制，加載波形為正弦波，震動頻率為20 Hz，應力比為r=0.1，最大應力為750 MPa。對疲勞斷裂后的試樣進行了掃描電鏡觀察，研究不同溫度下Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣的斷裂機理。疲勞試驗裝置如圖2所示。對疲勞失效后的試樣進行了斷口分析和組織觀察。

圖3為Ti6Al4V脈沖激光焊接頭的宏觀照片。從圖3可知，脈沖激光焊接頭可以分為3個區域，即焊縫、熱影響區及母材區域。在較低的倍數下可以看到，焊縫的組織明顯不同于熱影響區的組織。焊縫的上、下表面寬度基本相等，約為0.86 mm，有輕微的咬邊缺陷出現在焊縫/熱影響區上。

圖4為Ti6Al4V焊接接頭的顯微組織。

如圖4所示，母材組織是由等軸的α相和顆粒狀的β相組成。焊縫是由針狀的馬氏體組織組成，在原β晶粒的邊界上無二次α相的形成，表明了激光焊接具有較高的冷卻速度，使得焊縫的組織為馬氏體組織。圖4 c）是靠近焊縫的熱影響區組織，由馬氏體α′和二次α相組成。圖4 d）是熱影響區中部的組織，由針狀馬氏體α′、二次α相、初始α相和β相組成。隨著離焊縫距離的增加，靠近母材的熱影響區中馬氏體α′和二次α相的含量減小，而初始α相和β相的含量增加，見圖4 e）。

2.2 溫度對Ti6Al4V焊接接頭拉伸性能的影響

拉伸結果如表2所示，表中所示的每個抗拉強度為3次實驗的平均值。圖5為不同溫度下的Ti6Al4V脈沖激光焊接頭的拉伸曲線。從圖中可以看到，隨著溫度的升高，焊接接頭和母材試樣的拉伸強度都隨著溫度的升高而降低，溫度達到300 ℃時，母材和接頭的抗拉強度分別降低了26.2%和31.6%。拉伸延性隨溫度的變化較為復雜，當溫度從25 ℃升高到120 ℃時，母材試樣和焊接接頭的拉伸延性稍有增加，但是當溫度繼續升高到210 ℃時，母材試樣和焊接接頭的拉伸延性開始降低，當溫度升高到300 ℃時，母材和焊接接頭的拉伸延性進一步降低。

圖6為母材和焊接接頭的抗拉強度和拉伸延性隨溫度變化的規律。如圖6 a）所示，隨著溫度的升高，母材和焊接接頭的抗拉強度都降低。當環境溫度為25 ℃時，母材和焊接接頭的抗拉強度分別為1 151 MPa和1 182 MPa，而當環境溫度為300 ℃時，母材和焊接接頭的抗拉強度分別為849 MPa和809 MPa，溫度對焊接接頭強度的影響大于母材，從圖6 b）可以看到，母材的拉伸延性大于焊接接頭的拉伸延性，這歸因于焊接接頭的組織具有明顯的不均勻性，在拉伸過程中，更容易產生塑性局部化的現象，降低了焊接接頭的拉伸延性。

所有激光焊接頭試樣斷裂位置都在母材區域，因此，所得到的拉伸強度實際上仍是“母材”的拉伸強度，而不是焊接接頭中“焊縫”的拉伸強度，故焊縫的拉伸強度應高于母材的拉伸強度。圖7為不同溫度下母材試樣和焊接接頭母材區域的拉伸斷口形貌，從圖中可以看到，大量的韌窩存在于母材試樣和焊接接頭母材區域的斷口表面上，并且隨著溫度的升高，斷口表面上的韌窩逐漸增大。

2.3 溫度對Ti6Al4V焊接接頭疲勞性能的影響

圖8是在最大應力750 MPa下，溫度對Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣的疲勞性能的影響，循環周次如表3所示。從圖8可以看到，隨著溫度的升高，焊接接頭和母材試樣的疲勞循環周次明顯降低，并且焊接接頭和母材試樣的疲勞循環周次差異減小。當溫度是25 ℃時，在同樣的應力水平下，母材試樣的疲勞循環周次遠高于焊接接頭的疲勞循環周次。當溫度增加到300 ℃時，母材和焊接接頭的疲勞循環周次分別降低了83.6%和77.8%。母材的疲勞循環基本與焊接接頭的疲勞循環周次相等。隨著溫度的升高，焊接接頭和母材試樣的抗拉強度和屈服強度都隨著溫度的升高而降低，使得疲勞加載應力接近于試樣的屈服強度而使得試樣的疲勞壽命迅速降低。

焊接接頭在所有的溫度下都斷裂于焊縫處，這表明焊接接頭焊縫處的拉伸強度雖然高于母材區域，但是焊縫處的疲勞性能低于母材區域的疲勞性能。

圖9為在室溫和300 ℃時Ti6Al4V母材和焊接接頭裂紋起源的位置。從圖9可以看到，裂紋都起源于試樣表面。

圖10為溫度25～300 ℃時母材試樣和焊接接頭疲勞裂紋擴展第2階段的形貌，隨著溫度的升高，疲勞裂紋越來越明顯，裂紋的寬度也逐漸增加。當溫度升高時，焊接接頭和母材試樣的屈服強度降低，在同樣的應力載荷下，裂紋尖端的塑性變形增加，循環變形引起裂紋尖端的損傷加劇，導致焊接接頭和母材試樣的疲勞裂紋變寬。

圖11是不同溫度下的Ti6Al4V母材試樣的疲勞斷裂后的組織。當溫度升高時，母材組織中的滑移線在更多的α相被觀察到，并且母材的組織嚴重變形，這與溫度升高后，母材的屈服強度變低使得母材的塑性變形在循環載荷下更為劇烈有關。

圖12是不同溫度下Ti6Al4V脈沖焊接頭疲勞斷裂后焊縫組織的特點。隨著溫度的升高，焊縫表面的褶皺越來越明顯，粗糙度明顯升高，這表明當溫度升高時，焊縫區域的組織損傷劇烈，導致Ti6Al4V脈沖激光焊接頭的疲勞壽命降低。

3 結 語

Ti6Al4V脈沖激光焊接頭焊縫組織主要由針狀馬氏體組成，熱影響區組織由針狀馬氏體α′、二次α相、初始α相和β相組成。Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣的拉伸強度隨著溫度的升高而降低，溫度達到300 ℃時，母材和接頭的抗拉強度分別降低了26.2%和31.6%，溫度對焊接頭強度的影響大于母材。在相同的應力水平下，Ti6Al4V母材試樣的壽命高于脈沖激光焊接頭的疲勞壽命，疲勞壽命隨溫度的升高迅速降低，當溫度達到300 ℃時，母材和接頭試樣的疲勞壽命分別降低了83.6%和77.8%。對疲勞斷裂后的組織觀察表明，Ti6Al4V脈沖激光焊接頭的疲勞損傷集中于焊縫區域。隨著溫度的升高， Ti6Al4V脈沖激光焊接頭和母材試樣表面的組織變形程度增大，從而導致了疲勞壽命的降低。本研究對Ti6Al4V脈沖激光焊接頭在高溫環境下的服役行為具有一定的參考價值。

關于不同溫度下母材和焊接接頭疲勞變形的損傷機理，可繼續通過透射電鏡觀察，進行深入研究。

參考文獻/References：

[1] SINGH P， PUNGOTRA H， KALSI N. On the characteristics of titanium alloys for the aircraft applications[J].Materials Today： Proceedings， 2017，4（8）：8971-8982.

[2] BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Material Science and Engineering A， 1996， 213（1）： 103-114.

[3] BANERJEE D，WILLIAMS J C. Perspectives on titanium science and technology[J]. Acta Materiar，2013， 61：844-879.

[4] DUTTA B， FROES F H. The additive manufacturing（AM） of titanium alloys[J]. Metal Powder Report， 2017，72（2）：96-106.

[5] WEISS I， SEMIATIN S L. Thermomechanical processing of beta titanium alloys-an overview[J]. Material Science and Engineering A， 1998， 243：46-65.

[6] DAI Jingjie， ZHU Jiyun， CHEN Chuanzhong， et al. High temperature oxidation behavior and research status of modifications on improving high temperature oxidation resistance of titanium alloys and titanium aluminides： A review[J]. Journal of Alloys Compound， 2016， 685： 784-798.

[7] LI Hongwei， HUANG Dong， ZHAN Mei， et al. High-temperature behaviors of grain boundary in titanium alloy： Modeling and application to microcrack prediction[J].Computational Materials Science， 2017，140：159-170.

[8] BALASUNDAR I， RAVI K R， RAGHU T. On the high temperature deformation behaviour of titanium alloy BT3-1[J].Materials Science and Engineering： A， 2017， 684：135-145.

[9] WANG Zhe， WANG Xinnan， ZHU Zhishou. Characterization of high-temperature deformation behavior and processing map of TB17 titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2017， 692：149-154.

[10]GAO Xiaolong，ZHANG Jianxun，LIU Jing，et al. A comparative study of pulsed Nd： YAG laser welding and TIG welding of thin Ti6Al4V titanium alloy plate[J]. Materials Science and Engineering： A， 2013， 559：14-21.

[11]LIU Chuan， WU Bin， ZHANG Jianxun. Numerical investigation of residual stress in thick titanium alloy plate joined with electron beam welding[J]. Metallurgical & Materials Transactions B， 2018， 41（5）：1129-1138.

[12]PALANVIVEL R， DINAHARAN I， LAUBSCHER R F. Microstructure evolution and mechanical characterization of Nd： YAG laser beam welded titanium tubes[J]. Materials Characterization， 2017，134：225-235.

[13]CAI Xiaolong， SUN Daqian， LI Hongmei， et al. Microstructure characteristics and mechanical properties of laser-welded joint of γ-TiAl alloy with pure Ti filler metal[J]. Optics & Laser Technology， 2017， 97：242-247.

[14]XU Peiquan， LI Leijun， ZHANG Chunbo. Microstructure characterization of laser welded Ti-6Al-4V fusion zones[J]. Materials Characterization， 2014，87：179-185.

[15]WANG S， WEI M， TSAY L. Tensile properties of LBW welds in Ti-6Al-4V alloy at evaluated temperatures below 450 ℃[J]. Material Letter， 2003，57（12）：1815-1823.

[16]CHENG Donghai， HUANG Jihua， ZHAO Xingke， et al. Microstructure and superplasticity of laser welded Ti6Al4V alloy [J]. Material & Design， 2010， 31（1）：620-623.

[17]FOTOVATI A， GOSWAMI T. Prediction of elevated temperature fatigue crack growth rates in Ti6Al4V alloy - neural network approach[J]. Material & Design， 2004， 25（7）：547-554.

[18]周永峰，胡樹兵，肖建中，等. TC4鈦合金板材電子束焊接疲勞性能[J]. 材料科學與工程學報，2010， 28（2）：130-135.

ZHOU Yongfeng， HU Shubing， XIAO Jianzhong， et al. A study of fatigue property on electron beam welded joint of titanium alloy plate[J]. Journal of Materials Science and Engineering， 2010， 28（2）：130-135.

[19]NALLA R K， ALTENBERGER I， NOSTER U， et al. On the influence of mechanical surface treatments-deep rolling and laser shock peening-on the fatigue behavior of Ti6Al4V at ambient and elevated temperatures[J]. Material Science and Engineering：A， 2003， 355（1）：216-230.

[20]ALTENBERGER I， RAVI K， YUJI S，et al. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti6Al4V at elevated temperatures up to 550 ℃[J]. International Journal of Fatigue， 2012， 44：292-302.

[21]陶佳躍，周亞東，張培偉，等. 鈦合金高溫疲勞性能的試驗研究[J]. 工程力學，2016， 33（4）：250-256.

TAO Jiayue， ZHOU Yadong， ZHANG Peiwei， et al. A study on high temperature effect on fatigue performance of titanium alloy[J]. Engineering Mechanics， 2016，33（4）：250-256.