不同熱處理對TC4/Ti60電子束焊接頭微觀組織及力學性能的影響

王世清　邢博　趙啟喆　焦迎香　強偉

摘要：采用不同熱處理工藝對10 mm厚的鈦合金TC4/Ti60電子束焊接接頭進行了研究，對比分析了TC4/Ti60接頭在分別經歷退火700 ℃×2 h（AC）及固溶時效980 ℃×1 h（FC）+700 ℃×2 h（AC）后，在顯微組織、顯微硬度及拉伸性能等方面的特征。結果表明：TC4/Ti60接頭經過退火后，組織和性能與焊態相當，但當TC4/Ti60接頭經過固溶時效后，TC4/Ti60接頭的組織更均勻，硬度及強度比退火時略低，并且塑性增加，綜合性能良好。

關鍵詞：熱處理;TC4/Ti60接頭;電子束焊接;退火;固溶時效

中圖分類號：TG166.5文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0016-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.03

0 前言

鈦及鈦合金具有良好的高溫性能、優異的耐蝕性能和密度小等優點，是航天、航空、航海領域重要的結構材料之一。為了獲得良好的綜合性能，通常會對鈦合金材料進行熱處理。羅文忠等[1]研究了Ti60鈦合金在兩種熱處理工藝下的組織及拉伸性能特征，發現在1 040 ℃固溶淬火得到的α+α'混合組織，具有較好的強度和塑性匹配關系。陳海濤等[2]研究了熱處理工藝對Ti60 鈦合金板材力學性能的影響，結果表明固溶熱處理對顯微組織影響明顯，適當提高板材的固溶熱處理溫度能夠顯著改善板材的橫、縱向組織均勻性。郭凡等[3]研究了鍛后不同熱處理制度對Ti2AlNb/Ti60雙合金接頭組織和性能的影響，結果表明熱處理制度對相的組成幾乎無影響，但對相的形態、尺寸及數量有一定影響，隨著固溶溫度的升高或固溶時間的延長，試樣強度增加，塑性下降。張秉剛等[4]及陳國慶等[5]對Ti55/Ti60及TiAl/Ti60真空電子束焊接接頭研究發現，Ti60側焊縫組織主要是針狀α'馬氏體，熱影響區硬度分布梯度較大。以上文獻表明，鈦合金焊接后易出現馬氏體，組織不均勻等現象，但通過熱處理可以改善接頭組織和性能。本文中TC4/Ti60電子束焊接后，存在殘余應力、組織不均勻等現象，因此，對TC4/Ti60電子束焊接接頭進行熱處理。根據TC4和Ti60合金常用的熱處理規范，制定退火與固溶時效兩種熱處理制度，對比研究其對TC4/Ti60電子束焊接接頭組織及拉伸性能的影響，為實際應用提供理論依據。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用10 mm厚鈦合金TC4、Ti60，母材均采用鍛造處理狀態供貨。真空電子束焊后接頭微觀形貌如圖1所示，在焊縫及TC4側熱影響區為馬氏體，Ti60側的熱影響區是馬氏體和殘余α相的混合物。焊后為了消除焊接殘余應力、穩定和改善TC4/Ti60焊接接頭的組織和性能，選用兩種不同的熱處理工藝：700 ℃×2 h（AC）、980 ℃×1 h（FC）+700 ℃×2 h（AC）。采用光學顯微鏡觀察熱處理后的異種鈦合金接頭微觀組織。采用顯微硬度計在TC4/Ti60接頭的焊縫中部均勻打點，每個點之間相距0.5 mm，使其經過焊縫、熱影響和母材區。室溫拉伸實驗在United試驗機上進行，應變速率為1×10-3/s。

2 實驗結果及分析

2.1 熱處理對TC4/Ti60接頭組織的影響

退火后接頭的微觀形貌如圖2所示。圖2a是退火后TC4/Ti60接頭的宏觀形貌，與母材相比，焊縫區及熱影響區非常窄，焊縫寬度約為2～3 mm，左右兩側熱影響區寬度均約為1～2 mm。圖2b、2c分別為圖2a中TC4母材（b區）及Ti60母材（e區）的顯微組織，TC4母材及Ti60母材均為典型的雙相組織，即由等軸的α相和層片相間的α+β相構成，但Ti60母材的等軸α相明顯比TC4母材的大一些。圖2d、2e分別是圖2a中TC4側熱影響區及焊縫（c區）以及Ti60側熱影響區及焊縫（d區）的顯微組織，焊縫及TC4側熱影響區顯微組織主要為細小的密排六方馬氏體，Ti60側熱影響區的顯微組織主要為殘余的等軸 α相和板條狀馬氏體，與圖1的焊態組織[7]相比，無明顯變化，表明退火對TC4/Ti60接頭組織無明顯影響。

固溶時效后接頭的微觀形貌如圖3所示。圖3a是固溶時效后TC4/Ti60接頭的宏觀形貌，在焊縫區、熱影響區及母材可見清晰的界線，焊縫區及熱影響區非常窄。圖3b、3c分別是圖3a中TC4母材（b區）及Ti60母材（e區）的顯微組織，由于固溶溫度在等軸α相向β相轉變點以下，即兩相區，因此TC4母材及Ti60母材的等軸α相較熱處理前無明顯變化。圖3d、3e分別是圖3a中TC4側熱影響區及焊縫（c區）及Ti60側熱影響區及焊縫（d區）的顯微組織，由圖可知，固溶時效后，焊縫及TC4側熱影響區的組織主要是細小的α+β相，但TC4側熱影響區的組織明顯比焊縫的粗大，Ti60側熱影響區的組織主要為殘余的等軸 α相和細小的α+β相。這表明固溶時效后，馬氏體分解成了細小的α+β相。與上述焊態、退火組織相比，TC4/Ti60接頭顯微組織發生了顯著變化，表明固溶時效對TC4/Ti60接頭組織有非常明顯的影響。

2.2 熱處理對TC4/Ti60接頭顯微硬度的影響

不同熱處理工藝下TC4/Ti60接頭的顯微硬度分布如圖4所示，呈現出明顯的不對稱特點，即TC4母材的顯微硬度（約300 HV）明顯低于Ti60母材的顯微硬度（約340 HV）。由圖2及圖3可知，TC4中等軸α略小于Ti60的，根據Hall-Petch公式可知，TC4的硬度理論上應略高，但由于Ti60母材加入了1%質量分數的稀土元素Nd，進而在Ti60合金內形成彌散的析出物，最終強化Ti60合金基體并改善了合金的熱穩定性[6]，因此Ti60母材的顯微硬度略高于TC4母材的顯微硬度。另外，Ti60母材含有Zr元素的析出物[7]，也使得其硬度增加。由圖可知，在退火及固溶時效后焊縫處硬度均較為均勻，但固溶時效后TC4/Ti60接頭的硬度略低于退火的，這是由于馬氏體分解生成了α+β相所致（見圖3）。在兩側的熱影響區處硬度均隨著距焊縫中心距離的增大而逐漸減小，這與圖2和圖3的顯微組織相一致，即馬氏體及細小的α+β相隨著距焊縫中心距離的增加而逐漸減少。

2.3 熱處理對TC4/Ti60接頭拉伸性能的影響

熱處理前后TC4/Ti60接頭的拉伸應力-應變曲線的對比如圖5所示（室溫，應變速率1×10-3/s）。由圖5可知，退火及固溶時效后TC4/Ti60接頭平均屈服強度分別為821 MPa、804 MPa，退火及固溶時效后TC4/Ti60接頭平均抗拉強度分別為842 MPa、832 MPa，可見在相同的初始應變條件下，退火后TC4/Ti60接頭平均強度略高于固溶時效的，退火及固溶時效后TC4/Ti60接頭平均伸長率分別為6.8%、7.5%，固溶時效后TC4/Ti60接頭的平均伸長率比退火后增加約10%。拉伸試驗表明，退火及固溶時效后TC4/Ti60接頭強度相近，但固溶時效后TC4/Ti60接頭塑性略好。與焊態接頭相比，熱處理后材料的組織性能更加均勻，具有較好的綜合力學性能。

3 結論

文中研究了不同熱處理工藝對10 mm厚的TC4/Ti60電子束焊接接頭的微觀組織、顯微硬度及拉伸性能的影響規律，得出以下結論：

（1）退火后，焊縫及TC4側熱影響區仍然存在馬氏體，Ti60側熱影響區組織主要是殘余的等軸α相和板條狀馬氏體，但TC4/Ti60接頭經過高溫固溶及時效后，焊縫及熱影響區細小的馬氏體發生分解生成了細小的α和β相，表明高溫固溶+時效對TC4/Ti60接頭的組織有明顯影響。

（2）在退火及固溶時效后焊縫處的硬度均較為均勻，但固溶時效后TC4/Ti60接頭的硬度略低于退火態，表明固溶時效對TC4/Ti60接頭的顯微硬度有影響。

（3）拉伸試驗表明，退火及固溶時效后TC4/Ti60接頭強度相近，但固溶時效后TC4/Ti60接頭塑性略好。與焊態接頭相比，熱處理后材料的組織性能更加均勻，具有較好的綜合力學性能。

參考文獻：

[1] 羅文忠，孫峰，趙小花，等. 固溶處理對Ti60合金組織及拉伸性能的影響[J]. 稀有金屬材料與工程，2017，46（12）：3967-3971.

[2] 陳海濤，王娟華，苗陽，等. 熱處理對Ti60鈦合金板材力學性能的影響[J]. 中國鈦業，2018（4）：22-24.

[3] 郭凡，郭鴻鎮，姚澤坤，等. 熱處理對Ti2AlNb/Ti60雙合金接頭組織及性能的影響[J]. 鍛壓技術，2013，38（3）：137140.

[4] 張秉剛，陳國慶，郭棟杰，等. 高溫鈦合金Ti55/Ti60真空電子束焊接[J]. 焊接學報，2009，30（12）：5-9.

[5] 陳國慶，張秉剛，武振周，等. TiAl/Ti60電子束焊接接頭組織及性能[J]. 焊接學報，2009，30（12）：41-45.

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