TC17鈦合金電子束焊接接頭的組織及力學性能研究

張心怡

(四川大學破壞力學與工程防災(zāi)減災(zāi)四川省重點試驗室 四川 成都 610065)

TC17合金是一種的α+β型兩相鈦合金,其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。該合金具有強度高、斷裂韌性好、淬透性高和鍛造溫度范圍寬等特點[1],能夠滿足損傷容限設(shè)計的需要和高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性及低制造成本的要求,常應(yīng)用于航空發(fā)動機渦輪盤及壓氣機葉片等關(guān)鍵部位[2,3]。隨著焊接技術(shù)的不斷進步，用于航空發(fā)動機中結(jié)構(gòu)件連接的常用焊接技術(shù)主要有激光束焊、線性摩擦焊、攪拌摩擦焊和電子束焊等[4]。其中，電子束焊接具有縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊縫成形性好、無空氣污染等特點,能夠保證焊接穩(wěn)定性，但具有微觀組織和力學性能不均勻等特點[5,6]，數(shù)據(jù)表明，焊接結(jié)構(gòu)的破壞事故中80%以上均由焊接處的斷裂引起[7]。

范霽康[8]等發(fā)現(xiàn)，電子束可提升焊接接頭塑性和焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的顯微硬度，頻率為10kHz時，焊接接頭的斷后伸長率可達14.9%，約為母材的80%；彭周[9]通過試驗發(fā)現(xiàn)，TC4合金電子束流焊接接頭的顯微硬度比母材硬度高30～50HV。熱影響區(qū)中顯微硬度呈梯度分布，其梯度大小受焊縫寬度影響，焊縫越寬，其熱影響區(qū)越寬，熱影響區(qū)中沿寬度方向的顯微硬度梯度則越小；焊縫越窄，熱影響區(qū)越窄，該區(qū)域中沿寬度方向的顯微硬度梯度則越大。有關(guān)TC17焊接接頭旋轉(zhuǎn)組織及力學性能的研究報道較少。

基于上述對鈦合金電子束焊接接頭的研究不足，本文對TC17鈦合金進行電子束焊接加工，采用多種技術(shù)手段研究分析其顯微組織和力學性能，為TC17鈦合金焊接結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持，確保服役的安全性。

一、材料及方法

實驗材料來源于寶鈦集團提供的TC17板材，樣品由線切割制成金相試樣，表面拋光至鏡面狀態(tài),利用Kroll試劑腐蝕,使用JSM-6150LV掃描電子顯微鏡(SEM)對其微觀組織進行觀察分析。

焊接采用ZD150-C高壓真空機，在高真空環(huán)境下，采用高能電子束對TC17鈦合金板材進行對接焊接，焊接參數(shù)如表1所示。為消除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、強化晶粒，采用時效熱處理，630℃下保溫2小時，然后空冷[10]，再將熱處理后的材料進行試件加工，確保焊縫位于試件中間并且焊縫垂直于拉伸方向，試樣設(shè)計如圖1所示。

硬度測試使用維氏顯微硬度計，垂直焊接方向間隔60μm取點，根據(jù)維氏硬度國際測試標準ISO 6507，測試參數(shù)為:100g力保載15秒。軸向力學拉伸試驗使用拉伸試驗機為島津電子拉伸機(SHIMADZU AGX-100)，通過位移(0.96mm/min)來進行控制。

表1 電子束焊接參數(shù)

圖1拉伸試件尺寸圖

Fig.1Drawingoftensilespecimensize

二、實驗結(jié)果

(一)TC17微觀組織形貌

EDS測試元素分布含量結(jié)果如圖2所示，含有Ti、Al、Sn、Zr、Mo、Cr成分，無明顯雜質(zhì)，查閱文獻可知，其中Al元素純在于初生相中，相穩(wěn)定元素Mo、Cr存在于β相內(nèi)，Zr與Ti為同晶型元素，在與相內(nèi)溶解度相同，Sn元素能夠促進Ti3Al沉淀相的形成，達到時效硬化的效果[12]。

圖2 取樣及EDS曲線圖

圖3 TC17鈦合金焊接接頭顯微組織圖

圖3(a)為TC17電子束焊接接頭的宏觀光學照片，整體形貌中可以看到電子束焊接接頭可劃分為熔合區(qū)(Fusion Zone,FZ)、熱影響區(qū)(Heat affect zone,HAZ)和母材區(qū)(Base metal,BM)。熱影響區(qū)寬度基本一致為0.8mm，熔合區(qū)最寬處為5mm，最窄處3mm，內(nèi)布滿粗化晶粒；如圖3(b)所示，柱狀形貌的β晶粒分布在熔合區(qū)內(nèi)部，等軸狀的β晶粒分布在靠近熱影響區(qū)的兩側(cè)。β晶粒在TC17焊接接頭內(nèi)存在的兩種形貌是由于C元素及Cr元素可以促使柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)換，也稱之為晶粒細化[11]。在經(jīng)過熱處理后，元素構(gòu)成及熱力學影響產(chǎn)生的晶粒細化能夠有效的提升TC17焊接接頭的力學穩(wěn)定性，起到強化作用。圖3(c)為母材區(qū)微觀組織形態(tài)，可以觀察到具有TC17雙態(tài)特征的等軸α相和β相，并在β相上觀察到針狀α片層。

(二)TC17電子束焊接接頭拉伸性能

室溫下tc17母材、焊接接頭及熱處理后的焊接接頭的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，圖中可以看到，母材、焊接接頭及熱處理后焊接接頭的拉伸屬性和力學響應(yīng)明顯不同。焊接接頭抗拉強度約為母材的83%，熱處理后的焊接接頭抗拉強度明顯提高到母材的93%，具體數(shù)值如表1所示。

表1 拉伸力學性能

試件拉伸斷裂失效如圖5所示，TC17焊接接頭的斷口均存在明顯緊縮現(xiàn)象，這是韌性斷裂的特征[12]，在電子束焊接過程中，焊接熔合區(qū)形成粗化的β晶粒，在高速冷卻速率的影響下形成亞結(jié)構(gòu)α’馬氏體，兩種晶粒間的顯微取向關(guān)系使得TC17焊接接頭的抗拉強度、屈服強度低于母材，失效位置位于焊縫的熔合區(qū)。在進行630℃下2h時效熱處理后，亞結(jié)構(gòu)α’馬氏體分解為α相嵌在β基體上[13]，從而提高了熔合區(qū)及熱影響區(qū)的力學性能，失效位置也從熔合區(qū)轉(zhuǎn)移到母材區(qū)。

圖4 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 拉伸斷裂失效圖

(三)TC17電子束焊接接頭顯微硬度

如圖6所示，是TC17焊接接頭未處理和經(jīng)過630°C，2h熱處理后的材料微觀硬度測試結(jié)果，可觀察到，未經(jīng)過熱處理的TC17焊接接頭母材的硬度大概為370HV，熱影響區(qū)為340HV，焊縫處最低為320HV。對于高能量的焊接方式，電子束焊接由于熱循環(huán)在局部位置的差異性會導(dǎo)致焊縫區(qū)發(fā)生軟化現(xiàn)象，這也進一步證實了焊縫軟化現(xiàn)象，即焊縫區(qū)域相較于母材較軟，塑性變形易從母材區(qū)傳遞到焊縫區(qū)[14]，解釋了圖4中觀察到的TC17鈦合金焊接接頭焊縫區(qū)域硬度下降的原因。

經(jīng)過熱處理后的焊接接頭硬度有所提升，母材的硬度大概為370HV，熱影響區(qū)為395HV，焊縫處為450HV，且有明顯的階梯分段，熱處理過程中α相嵌在β基體上，在材料發(fā)生塑性應(yīng)變時將會阻礙位錯，從而提升材料強度，且時效熱處理后焊縫處的應(yīng)力得到釋放，降低了由焊接工藝引起的材料強度不匹配趨勢。即TC17電子束焊接接頭進行高溫時效熱處理，可以明顯地降低焊縫區(qū)域的應(yīng)變集中，降低焊接引起的材料不匹配趨勢，進而提高了焊縫區(qū)域的塑性應(yīng)變臨界值，使焊縫得以硬化。

圖6 顯微硬度圖

三、結(jié)論

(1)TC17電子束焊接接頭由明顯的熔合區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)構(gòu)成，母材區(qū)能觀察到α和β特征晶粒，熔合區(qū)內(nèi)柱狀形貌的β晶粒分布在內(nèi)部，等軸狀的β晶粒分布在靠近熱影響區(qū)的兩側(cè)。

(2)TC17焊接接頭抗拉強度為948MPa，約為母材的83%，焊接加工形成的殘余應(yīng)力及晶粒間的取向變化使得焊縫成為斷裂失效處，經(jīng)時效熱處理后的TC17焊接接頭拉伸強度提高到1053MPa，斷裂失效位于母材區(qū)。

(3)由于焊接引起的材料不匹配趨勢，TC17焊接接頭母材區(qū)硬度約為375HV，焊縫區(qū)硬度約為339HV；經(jīng)熱處理后，析出強化相在焊縫基體上大量析出，且熱處理后焊縫處的殘余應(yīng)力得到釋放，焊縫處的硬度提高到450HV，較未處理的焊縫硬度提高40.6%。