Ti-6Al-4V合金焊后熱處理工藝研究

杜永勤，祝曉輝，劉敏，曾秋香，李明慧

南京寶色股份公司 江蘇南京 211178

1 序言

Ti-6Al-4V（TC4）合金密度小、質(zhì)量輕，室溫、高溫性能好，強(qiáng)度、比強(qiáng)度高，具有良好的綜合力學(xué)性能，已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件廣泛使用的中等強(qiáng)度鈦合金[1]；在大多數(shù)酸、堿、鹽及海水中具有優(yōu)異的耐蝕性[2]，使其成為大型裝置、高壓海洋裝置、石化裝置的潛在應(yīng)用材料，并逐步在艦船、化工容器上得到推廣應(yīng)用。根據(jù)部分容器或結(jié)構(gòu)件的使用要求，需要進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理。但鈦及其合金一般不進(jìn)行焊后熱處理，鈦的焊后熱處理方面研究較少，為了進(jìn)一步完善鈦合金的制備工藝，本文開展TC4合金的焊后熱處理工藝研究，為選擇合適的焊后熱處理溫度提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

焊后熱處理是將帶有焊接接頭的部件或產(chǎn)品加熱到一定溫度，并保溫一定時(shí)間。在保溫過程中，焊接應(yīng)力是使焊接接頭局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，使接頭的峰值應(yīng)力降低，并使接頭整體應(yīng)力平衡的一個(gè)高溫蠕變過程[3]。加熱溫度越高，材料的屈服強(qiáng)度越低，伸長(zhǎng)率越高，消除焊接應(yīng)力效果也就越好，焊后熱處理溫度的選擇是熱處理工藝的關(guān)鍵。

針對(duì)T C4合金高溫性能好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，結(jié)合焊后熱處理基本原理，進(jìn)行TC4合金焊后熱處理工藝研究。在研究TC4材料高溫力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行母材和焊接接頭不同焊后熱處理溫度下試件的力學(xué)性能試驗(yàn)，通過對(duì)材料高溫力學(xué)性能、焊接接頭焊后熱處理室溫力學(xué)性能的比較分析，得出合理的TC4合金焊件的焊后熱處理工藝。

3 試驗(yàn)材料

（1）材料1 TC4合金板材，符合GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》要求，厚度為20mm，供貨狀態(tài)、化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

表1 試驗(yàn)?zāi)覆暮秃附z的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）材料2 TC4合金板材，符合GB/T 3621—2007《鈦及鈦合金板材》要求，厚度為5mm，供貨狀態(tài)、化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

表2 試驗(yàn)?zāi)覆牧W(xué)性能

（3）材料3 TC4合金焊絲，直徑為2.4mm，符合GB/T 3623—2007《鈦及鈦合金絲》要求，供貨狀態(tài)、化學(xué)成分見表1。

4 試件、試樣及試驗(yàn)

（1）高溫力學(xué)性能試樣及試驗(yàn) 采用20m m厚T C4板材制備圓形棒狀拉伸試樣，在500℃、550℃、600℃、650℃及700℃下分別進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)定不同溫度TC4合金的力學(xué)性能。

（2）母材熱處理力學(xué)性能試樣及試驗(yàn) 采用5mm厚TC4板材制備試件，按500℃/1h、550℃/1h、600℃/1h、650℃/1h、700℃/1h、750℃/1h參數(shù)完成熱處理，并制備室溫板狀拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定不同熱處理溫度TC4合金室溫力學(xué)性能。

（3）焊后熱處理力學(xué)性能試樣及試驗(yàn) 以5mm厚TC4板材為母材，機(jī)加工60°V形坡口，嚴(yán)格按鈦材焊接要求做好焊前清理，采用99.99%Ar作為保護(hù)氣體，填絲鎢極氬弧焊焊接制備試件[2，4]，焊后試件經(jīng)外觀檢測(cè)，焊縫表面銀白色無缺陷；按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》規(guī)定進(jìn)行100%射線檢測(cè)和評(píng)定，焊縫均達(dá)到I級(jí)合格；對(duì)試件按500℃/1h、550℃/1h、600℃/1h、650℃/1h、700℃/1h、750℃/1h等工藝參數(shù)完成焊后熱處理后，按GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸試樣 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定制備室溫板狀拉伸試樣并進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定不同焊后熱處理溫度下TC4合金焊接接頭室溫力學(xué)性能。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）TC4合金高溫力學(xué)性能 圖1～圖5為TC4合金在不同溫度下的典型高溫拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，表3為TC4高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 TC4合金在500℃高溫拉伸曲線

圖2 TC4合金在550℃高溫拉伸曲線

圖3 TC4合金在600℃高溫拉伸曲線

圖4 TC4合金在650℃高溫拉伸曲線

圖5 TC4合金在700℃高溫拉伸曲線

由圖可知，TC4合金在高溫拉伸過程中，沒有明顯的屈服點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)后，隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力略微增加，當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到1.8%~2%以后，隨著應(yīng)變量增加，應(yīng)力達(dá)到最大值；500℃、550℃試樣應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力保持不變，隨后隨應(yīng)變?cè)黾討?yīng)力下降直至斷裂；對(duì)于600℃以上的高溫拉伸試樣，應(yīng)變量達(dá)到2%時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力逐漸減小直至斷裂。600℃拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變達(dá)到3%時(shí)即應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)黾佣鴾p小，650℃拉伸應(yīng)變達(dá)到2%時(shí)，700℃拉伸應(yīng)變達(dá)到1.5%時(shí)，隨著應(yīng)變?cè)黾樱瑧?yīng)力即呈直線趨勢(shì)下降。

從表3可以看出，TC4合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨試驗(yàn)溫度提高而降低，當(dāng)達(dá)到600℃以后，強(qiáng)度下降到屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度接近，屈強(qiáng)比達(dá)到90%以上，伸長(zhǎng)率達(dá)到30%以上；650℃時(shí)伸長(zhǎng)率達(dá)到40%以上，表明在600℃以上，較低的應(yīng)力可促使TC4合金發(fā)生緩慢塑性變形。

（2）母材熱處理板狀性能 母材熱處理板狀試樣性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 TC4合金圓形棒狀試樣短時(shí)高溫拉伸力學(xué)性能

表4 TC4合金母材不同溫度熱處理板狀試樣室溫力學(xué)性能

從試驗(yàn)結(jié)果看，不同熱處理溫度的TC4合金母材，室溫抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彎曲性能與原母材沒有明顯變化，只有屈服強(qiáng)度隨著溫度升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在750℃時(shí)，出現(xiàn)明顯下降，降低達(dá)40MPa以上。屈服強(qiáng)度雖低于試驗(yàn)原始母材，但高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的TC4合金最低屈服強(qiáng)度值要求。

（3）焊后熱處理板狀試件室溫性能 焊后熱處理板狀試件力學(xué)性能見表5，焊接接頭微觀組織硬度試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 TC4鈦合金不同試驗(yàn)條件下的焊接接頭斷面硬度

從表5試驗(yàn)結(jié)果看，隨著焊后熱處理溫度提高，焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度稍有降低：在焊后熱處理溫度≤650℃時(shí)，不同溫度熱處理的焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度與焊態(tài)接頭力學(xué)性能相當(dāng)，當(dāng)溫度在700℃或750℃時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度比焊態(tài)接頭降低30MPa左右，接頭抗拉強(qiáng)度下降明顯；不同熱處理狀態(tài)的焊接接頭伸長(zhǎng)率變化不大，按25°/10S進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，接頭彎曲性能均能滿足要求；熱處理溫度≤700℃時(shí)，屈服強(qiáng)度隨熱處理溫度提高呈下降趨勢(shì)。如此熱處理溫度對(duì)TC4合金焊接接頭伸長(zhǎng)率及彎曲性能的影響不明顯，焊接應(yīng)力使金屬發(fā)生塑性變形，造成屈服強(qiáng)度降低，熱處理700℃以下，隨熱處理溫度提高，屈服強(qiáng)度越低，焊接消除應(yīng)力效果越好，但650℃以上熱處理會(huì)造成接頭抗拉強(qiáng)度明顯下降。

表5 TC4合金不同熱處理板狀焊接試樣室溫力學(xué)性能

（4）焊接接頭硬度 不同熱處理溫度接頭按圖6所示進(jìn)行焊接接頭各區(qū)域HV10硬度檢測(cè)，結(jié)果見表6。

圖6 TC4鈦合金焊接接頭硬度檢測(cè)位置

從表6可見，同一焊接接頭中的焊縫、熱影響區(qū)硬度比較均勻，高低差異小，焊縫、熱影響區(qū)的硬度平均值均高于母材；隨焊后熱處理溫度的提高，TC4合金母材、焊縫及熱影響區(qū)硬度逐漸降低，但沒有明顯變化，表明TC4合金焊縫和熱影響區(qū)的硬度隨溫度的變化不明顯，是否能像鋼材一樣采用硬度檢測(cè)作為熱處理質(zhì)量的考核指標(biāo)之一有待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)束語

1）隨試驗(yàn)溫度的提高，TC4合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度降低，試驗(yàn)溫度650℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度接近達(dá)到400MPa，屈強(qiáng)比達(dá)到90%以上，伸長(zhǎng)率顯著升高到40%以上，且在應(yīng)變達(dá)到2%，即達(dá)到應(yīng)力最大值，隨后隨時(shí)間延長(zhǎng)，低應(yīng)力變形將逐步展開，有利于焊后熱處理的有效進(jìn)行。

2）750℃以下，不同溫度焊后熱處理的TC4合金，其室溫力學(xué)性能變化不大。

3）焊后熱處理溫度在500～750℃之間，溫度≤650℃時(shí)，隨熱處理溫度提高，焊接接頭室溫抗拉強(qiáng)度變化不大；溫度≤700℃時(shí)，焊接接頭屈服強(qiáng)度逐漸降低，達(dá)到700℃時(shí)屈服強(qiáng)度降到最低，但抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降；隨焊后熱處理溫度的提高，母材硬度逐漸降低，但焊縫、熱影響區(qū)硬度變化不明顯，硬度變化是否可作為TC4合金焊后熱處理效果的衡量指標(biāo)有待進(jìn)一步研究。

綜上分析，TC4合金在600~650℃進(jìn)行焊后熱處理，屈服強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率高，在保證焊接接頭性能的基礎(chǔ)上達(dá)到最好的焊后消除殘余應(yīng)力的效果。