焊后熱處理對Ti17 線性摩擦焊接頭組織及力學性能的影響

郭震國，馬鐵軍，李菊，李文亞，唐龍飛

（1.西北工業大學 材料學院 陜西省摩擦焊接工程技術重點實驗室，西安 710072；2.中國航空制造技術研究院 航空焊接與連接技術航空科技重點實驗室，北京 100024）

線性摩擦焊（Linear friction welding，LFW）能夠實現復雜截面同質及異質材料的固相連接，是國際公認的理想航空發動機整體葉盤焊接制造與維修技術[1—8]。目前，線性摩擦焊及相關研究主要針對鈦合金整體葉盤的研制而展開。Guo 等[9]對Ti6264 鈦合金進行了LFW 及焊后熱處理（Post-weld heat treatment，PWHT）試驗。對于焊態接頭，焊縫（Weld zone，WZ）析出了致密的針狀斜方α''馬氏體，使其硬度值低于母材（Base metal，BM）硬度值；熱處理后，斜方α''轉變為六方α，WZ 硬度值增加，且高于BM 硬度值。李智淵等[10]研究了熱處理工藝參數對 TC4/TC17 鈦合金LFW 接頭微觀組織的影響。PWHT 后，亞穩β相分解，生成細小層片狀的α相，次生針狀α相沿初生α析出；隨著熱處理溫度升高，析出的層片狀α相及次生針狀α相長大且發生偏聚現象。季亞娟等[11]研究了PWHT 對TC4 鈦合金LFW 接頭組織及性能的影響。PWHT 后，次生α相析出，導致α相體積分數有所增加，組織發生球化現象；PWHT 接頭的抗拉強度和屈服強度較焊態高，但斷面收縮率下降；熱處理使接頭組織更加均勻，接頭殘余應力降低。李菊等[12]和李曉紅等[13]研究了 PWHT 對 Ti17(α+β)/Ti17(β)異種組織LFW 接頭疲勞性能的影響，結果表明，焊態接頭疲勞試件均斷裂于焊縫，經PWHT 后焊縫發生β→α+β轉變，強度提升，接頭疲勞性能可達到與母材相當的水平。

上述研究成果表明，通過不同的熱處理工藝可使鈦合金LFW 接頭組織發生變化，達到所需要的狀態，從而提升接頭的力學性能。Ti17 鈦合金是一種富β兩相鈦合金，其強度高、斷裂韌性好、淬透性高且鍛造溫度范圍寬，是制造航空發動機整體葉盤的關鍵材料。筆者在前期研究中發現，Ti17 雙態組織LFW 同質接頭拉伸性能試件易斷裂于焊縫附近，因此，文中主要針對該接頭進行不同工藝PWHT 研究，為Ti17鈦合金在航空發動機整體葉盤LFW 制造工程應用提供試驗及理論基礎。

1 試驗材料與方法

采用的Ti17（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）鈦合金鍛件母材組織如圖1 所示，由等軸和長條狀α及β轉組成，為典型雙態組織。等軸α尺寸為2～10 μm，長條狀α長度為3～8 μm，寬度約為0.5 μm。

圖1 Ti17 母材組織Fig.1 Microstructure of Ti17 BM

焊接試驗是在西北工業大學自主研制的XMH-250 型線性摩擦焊設備上進行的，選用的焊接參數如下：摩擦壓力為80 MPa，振幅為2 mm，頻率為25 Hz，焊接時間為4 s。借鑒李菊等[12]與李曉紅等[13]分別在600 ℃和630～680 ℃進行異種組織Ti17 LFW 接頭焊后熱處理研究獲得的接頭組織變化規律，文中優選出600～640 ℃溫度范圍，并以600，620，640 ℃（保溫3 h，隨爐冷卻）3 種熱處理工藝進行雙態組織Ti17同質LFW 接頭熱處理試驗。

對焊態及3 個熱處理態接頭分別沿摩擦方向切割金相試樣，打磨拋光后用氫氟酸（5 mL）+硝酸（15 mL）+蒸餾水（35 mL）的腐蝕劑進行腐蝕，采用奧林巴斯公司的OLYMPUS-PMG3 型光學顯微鏡及蔡司公司的Zeiss GeminiSEM 500 型場發射掃描電鏡對接頭的微觀組織進行觀察；接頭按照 GB/T 228.1—2002 標準加工拉伸試樣，在美特斯公司生產的WE-30 型萬能試驗機上以1 mm/min 的速度進行拉伸測試；采用恒平儀器公司的Hx-1000 型顯微硬度試驗機測試接頭顯微硬度，載荷為1000 g，步長為100 μm。

2 結果與分析

2.1 焊態接頭組織特征

接頭縱向剖面光鏡組織如圖2 所示。根據宏觀組織形態特征，將接頭分為WZ、熱力影響區（TMAZ）和BM。WZ 中，原始BM 等軸及長條狀α消失，表明焊接過程 WZ 溫度超過了 Ti17 的β相變點（890 ℃）；TMAZ 中，晶粒沿摩擦方向拉長變形。

圖2 接頭縱向剖面金相組織Fig.2 Longitudinal cross-section of the joint

2.2 熱處理對接頭組織性能的影響

2.2.1 WZ 微觀組織變化

焊態及熱處理態接頭WZ 微觀組織如圖3 所示。圖3a 為焊態WZ 微觀組織，由均勻的亞穩態β相組成。在高溫和劇烈變形的條件下，WZ 發生了動態再結晶，可以看見部分β再結晶晶粒的晶界（紅色箭頭）。圖3b 為熱處理溫度為600 ℃時WZ 的微觀組織，發生了亞穩β→α+β的轉變，形成了寬度約為0.1 μm的層片狀二次α，再結晶β晶粒的晶界變得清晰可見。熱處理溫度為620 ℃時，由于α穩定元素與β穩定元素擴散得更為充分，析出的層片狀二次α有所長大，寬度增加為0.15 μm，但再結晶β晶粒的晶界被粗化的二次α遮擋。當熱處理溫度增大至640 ℃時，層片狀二次α進一步粗化，寬度約為0.2 μm。可見，隨著熱處理溫度由600 ℃→620 ℃→640 ℃，接頭WZ 內由亞穩β析出的二次層片α尺寸逐漸增大。

圖3 WZ 組織Fig.3 Microstructure of WZ

2.2.2 TMAZ 微觀組織變化

焊態和熱處理態接頭TMAZ 微觀組織如圖4 所示。焊態接頭TMAZ 組織在摩擦壓力及剪切力的共同作用下沿著振動方向被拉長，呈長條狀；次生α相幾乎全部溶解于β基體中（見圖4a）。熱處理溫度為600 ℃的接頭TMAZ 微觀組織如圖4b 所示，初生α相以帶狀形式（箭頭所指）分布于β基體中，β基體中也析出了細小的層片狀二次α。熱處理溫度為620 ℃的接頭TMAZ 微觀組織如圖4c 所示，與WZ趨勢一致，層片狀二次α長大粗化；與熱處理溫度為600 ℃的接頭TMAZ 相比，帶狀初生α基本消失不見。熱處理溫度為640 ℃的接頭TMAZ 微觀組織如圖4d所示，層片狀二次α進一步長大粗化。3 種PWHT 溫度下接頭TMAZ 均發生了再結晶，可觀察到等軸β再結晶晶粒，隨著熱處理溫度的升高，等軸β再結晶晶粒尺寸逐漸增大。

圖4 TMAZ 組織Fig.4 Microstructure of TMAZ

對于熱處理后的雙態組織Ti17 同質LFW 接頭，WZ 及TMAZ 組織中析出了高密度的層片狀二次α相，這種組織具有較高的斷裂韌性和疲勞裂紋擴散抗力[14]，可使接頭力學性能得到明顯提升。

2.2.3 BM 微觀組織變化

焊態和熱處理態接頭BM 微觀組織如圖5 所示。可以看出焊態和熱處理態BM 組織并無明顯差異，熱處理對BM 的α相和β相的形貌尺寸和體積分數未造成影響，這為Ti17 LFW 接頭及整體構件良好的性能提供了保證。

圖5 BM 微觀組織Fig.5 Microstructure of BM

2.3 接頭力學性能

2.3.1 接頭顯微硬度

4 組接頭的顯微硬度測試結果如圖6 所示。焊態接頭WZ 及TMAZ 的平均硬度值明顯低于BM，這是由于α相溶解，其中WZ 發生了動態再結晶，存在明顯的細晶強化作用，其硬度略高于TMAZ。熱處理后接頭WZ 及TMAZ 由于層片狀二次α相的析出，硬度明顯提高。熱處理溫度由600 ℃→620 ℃→640 ℃，WZ 及TMAZ 的硬度逐漸降低，是由于二次層狀α相隨溫度的升高發生了長大粗化。

圖6 接頭顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution of the joints

2.3.2 接頭拉伸性能

拉伸試驗后，拉伸斷裂試樣外觀形貌如圖7 所示，其中拉伸試樣中部黑線為WZ 所在位置。焊態接頭拉伸試樣全部斷裂于中部，而熱處理態接頭拉伸試樣全部斷裂于遠離WZ 的BM。對焊態接頭拉伸試樣斷裂位置進行金相觀察，發現該位置晶粒高度變形且呈現出拉長變形的特征（見圖7a），表明焊態接頭斷裂于TMAZ。BM 含有大量細小的層片狀次生α相，這種組織對位錯運動具有阻礙作用。WZ 及TMAZ 中細小的層片狀次生α相溶解于β基體，對位錯的阻礙作用降低。由于WZ 發生動態再結晶，形成了細小β再結晶晶粒，強度及塑性相對較高，因而斷裂發生于TMAZ。PWHT 后，WZ 及TMAZ 均析出了大量層片狀二次α相，提升了裂紋萌生及擴展抗力，導致拉伸試樣最終斷裂于BM。

圖7 拉伸斷裂試樣外觀形貌Fig.7 Microscopy of fractured tensile specimens

拉伸試驗結果如圖8 所示，可以看出，3 種熱處理接頭的拉伸強度及伸長率均高于焊態接頭及許用標準（1120 MPa 及7%）[15]。熱處理溫度由600 ℃→620 ℃→640 ℃，拉伸強度呈降低趨勢，伸長率呈升高趨勢，故不宜采用更高的熱處理溫度。

圖8 拉伸試驗結果Fig.8 Results of tensile tests

3 結論

1）熱處理后雙態組織Ti17 LFW 接頭WZ 及TMAZ 析出高密度細小的層片狀二次α，使其顯微硬度明顯高于焊態接頭的WZ 及TMAZ。熱處理溫度由600 ℃→620 ℃→640 ℃，WZ 及TMAZ 內層片狀二次α逐漸長大粗化，導致顯微硬度逐漸降低。與焊態接頭BM 相比，不同熱處理溫度下接頭的BM 微觀組織及顯微硬度基本無變化。

2）拉伸試驗結果顯示焊態接頭斷裂于TMAZ，3種熱處理溫度下的接頭均斷裂于BM，拉伸強度及伸長率相比焊態接頭顯著提升，均高于許用標準。