厚板TC4鈦合金電子束焊接頭組織演變及力學性能

張宇鵬，丁來法，Valerii Bilous，2，Sergii Akhonin，2，Khaskin Vladyslav，2，曾才有，梁曉梅

1.廣東省科學院 中烏焊接研究所，廣東 廣州 510651

2.烏克蘭國家科學院 巴頓焊接研究所，烏克蘭 基輔 03150

3.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028

0 前言

鈦及其合金具有密度小、耐腐蝕、焊接性好、力學性能優異等特點，被廣泛應用于航空航天、海洋工程等領域［1］。在眾多鈦合金中，α-β型TC4（Ti-6Al-4V）生產和應用最為廣泛，占鈦合金生產總值的55%以上［2］。

鈦合金在焊接過程中易與空氣中的C、N、O等元素結合生成化合物，降低焊接接頭的塑性。電子束焊接在高真空環境下進行，提供了理想的氣體環境，且具有能量密度大、焊縫深寬比大等特點，非常適用于鈦合金焊接［3］。當前針對TC4鈦合金電子束焊接已開展了大量的研究，但大多針對中薄板TC4焊接接頭的組織與力學性能，針對大厚度TC4鈦合金電子束焊接的研究相對較少，特別是針對厚板TC4鈦合金電子束焊接頭組織與力學性能方面的研究。電子束焊接溫度梯度（焊縫深寬比）大，在厚度方向容易造成焊縫成形、接頭組織和力學性能的不均勻性［4］。對在20 mm厚的TC4電子束焊接接頭進行研究發現，上層組織粗大，晶粒尺寸約為1 200 μm，而下層晶粒尺寸僅200 μm［5］。房衛萍［6］對100 mm厚TC4鈦合金進行電子束焊，焊后對接頭分別進行850℃再結晶退火和920℃×2 h和500℃×4 h固溶時效熱處理，結果表明，固溶時效熱處理的顯微硬度、拉伸強度明顯高于焊態，但延伸率略有下降。龔玉兵［7］研究了焊接熱輸入對20 mm厚TC4電子束焊接頭組織演變規律的影響，發現增大焊接熱輸入會使晶粒和組織粗化，但可減小組織的不均勻性，減小熱輸入會增大組織的不均勻性，且增加氣孔數量。

文中采用電子束工藝對30 mm的TC4鈦合金板材進行對接，研究焊接接頭的微觀組織及力學性能的規律，為大厚度TC4鈦合金的電子束焊接提供參考與借鑒。

1 試驗材料和方法

試驗采用尺寸600 mm×150 mm×30 mm的TC4板材進行真空電子束對接，母材供貨狀態為軋制退火態。真空電子束焊接設備型號為德國SST K100，焊接工藝參數：焊接電壓150 kV、焊接速度5 mm/s、束流50 mA、聚焦電流2 542 mA、腔室真空度8.0×10-5～1.4×10-4mbar、電子槍真空度 3.5×10-5mbar。焊接前打磨掉TC4鈦合金表面氧化膜，并用丙酮擦拭鈦合金表面去除機械加工遺留油污，最后用無水乙醇擦拭鈦合金表面并吹干。

焊接完成后，使用線切割對焊接接頭切取掃描試樣，首先采用不同規格型號的砂紙打磨，并用拋光機拋光，處理試樣表面劃痕，最后用腐蝕液（HF∶HNO3∶H2O=5∶10∶85，vol.%）對試樣進行腐蝕，腐蝕時間為5～10 s。采用FEI QuantaTM 250掃描電子顯微鏡對接頭組織進行觀察，采用VH1202顯微維氏硬度計測試接頭橫截面硬度，使用Matlab將測試數據繪制成云圖。參照GB/T 2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》，采用WDW-500電子萬能試驗機對焊接接頭進行取樣及拉伸測試。

2 試驗結果與分析

2.1 母材顯微組織

TC4鈦合金母材顯微組織如圖1所示。TC4鈦合金母材顯微組織由分布均勻、等軸狀的初生α相和板條狀β轉變組織組成，板條狀β轉變組織由細小的針狀α相和β相組成。初生α相體積分數為75%～85%，平均晶粒尺寸為20～30 μm。TC4鈦合金母材顯微組織為典型的等軸組織，其具備優異的塑性和良好的抗疲勞性能［8］。

圖1 TC4鈦合金母材顯微組織Fig.1 Microstructure of TC4 titanium alloy base metal

2.2 熔合區組織演變

TC4鈦合金電子束焊接接頭焊縫表面光滑，成形較好，無明顯的氣孔、裂紋等缺陷。熔合區呈“釘子型”，由大量的柱狀晶組成，且不同位置的柱狀晶尺寸及生長方式存在差異。熔合區上部柱狀晶尺寸最大，柱狀晶以熔合區中心為對稱軸，從兩側熔合線開始向頂部生長。熔合區中部柱狀晶尺寸較上部的細小，柱狀晶生長方式與熔合區上部不同，其以熔合區中心為對稱軸，從熔合線開始垂直于熔合區中心線生長。熔合區下部柱狀晶尺寸較中部更加細小，柱狀晶生長方式與熔合區中部一致，垂直于熔合區中心線生長。

熔合區沿厚度方向出現柱狀晶尺寸及生長方式差異性的現象主要和熔池的散熱有關［9］。金屬形核以后生長方向總是向與溫度梯度相反的方向生長，即背離散熱最大的方向生長，兩側柱狀晶相遇后便停止生長，因此熔合區呈現對稱生長的規律。熔池冷卻過程中，熔池下部較熔池上部先冷卻，熔池下部的高溫停留時間較短，β晶粒沒有足夠的時間生長。且熔池從上往下寬度依次降低，熔池上部的β晶粒較熔池下部有充足的空間生長，因此熔合區從上往下，β晶粒尺寸依次減小［10］。

TC4鈦合金熔合區顯微組織如圖2所示。熔合區中部顯微組織（見圖2a）由粗大的β晶粒組成，β晶界清晰完整，晶內由魏氏組織和網籃組織混合而成。局部放大后（見圖2b）可見清晰、連續的晶界α相（αGB），在αGB兩側分布著片狀α集束，組成魏氏組織。在晶界內部分布著粗大的α片層，其縱橫交錯組成網籃組織。熔合區邊緣的顯微組織由等軸晶組成（見圖2c）。

圖2 熔合區顯微組織Fig.2 Microstructure of fusion zone

高能量的電子束轟擊到TC4鈦合金板材使其熔化，溫度降低后，熔池開始凝固（1 605℃），此時形成粗大的β晶粒［11］。隨著冷卻的進行，溫度進入α+β兩相區，在β晶界處形成不連續的αGB，其沿著β晶界不斷擴展形成連續的αGB。α相在αGB與β晶界處形核，α相從界面處沿著同一方向向β相內生長，遇到其他取向的α相便停止生長，這種具有同一取向的α相成為α集束。隨著冷卻的繼續進行，由于α集束生長方向不一，在β晶界內部存在擇優取向，α相不均勻形核形成片狀的、取向不一的α相［12］。金屬凝固時，總是四周先凝固，中心后凝固，四周β晶粒沒有充足的時間生長，且存在較大的過冷度及非均勻形核作用，使得熔合區邊緣為等軸晶［13］。

2.3 熱影響區組織演變

TC4鈦合金熱影響區顯微組織如圖3所示。靠近熔合線的熱影響區峰值溫度超過β轉變溫度（見圖3a），此區域由少量的初生α相和不同取向的α集束組成。升溫過程中由于加熱時間較短，部分初生α相未來得及轉化為β相，在冷卻過程中保留了下來。保留的初生α相與新形成的β晶粒之間形成異質界面，冷卻過程中α相在此界面處通過擴散型相變向β晶粒內部生長，取向一致的α相遇到其他方向的α相則停止生長，因此形成了不同生長取向的α集束［14］。熱影響區中部組織由初生α相、針狀α相、少量β相組成（見圖3b）。由于熱輸入降低使峰值溫度降低，更多的初生α相被保留下來，高溫停留時間較短，因此有少部分β相被保留了下來，與次生α相形成了β轉變組織［15］。靠近母材的熱影響區受熱輸入影響較低，組織與母材組織相似（見圖3c），由初生α相與β轉變組織組成，初生α相體積分數較母材略有減少。

圖3 熱影響區顯微組織Fig.3 Microstructure of heat-affected zone

熱影響區組織演變機理如圖4所示。可以看出，不同位置的熱輸入量受距離熔合線的遠近影響，距離熔合線越遠，熱輸入量越小，其峰值溫度也就越低。熱影響區不同部位的組織組成差異較大，定量統計圖3中靠近熔合線的熱影響區、熱影響區中部、靠近母材的熱影響區的初生α相的體積分數分別為27.36%、47.61%、71.21%，從熔合線到母材，熱影響區初生α相的體積分數逐漸增加。此外，熱影響區不同位置的差異還包括晶粒尺寸遞減和β轉變組織的生成。

圖4 熱影響區組織演變機理Fig.4 Microstructure evolution mechanism of heat-affected zone

2.4 接頭力學性能

TC4鈦合金焊接接頭顯微硬度測試云圖如圖5所示，焊接接頭顯微硬度以焊縫為中心對稱分布。熔合區與靠近熔合線熱影響區的顯微硬度差別較小，平均值為340 HV，母材及靠近母材的熱影響區的顯微硬度相似，平均值為290 HV。所測區域焊接接頭上部顯微硬度低于下部。熔合區及靠近熔合線一側熱影響區存在縱橫交錯的α片層，且晶粒尺寸遠小于初生α相，晶粒越細小，越能夠阻礙位錯的運動［16］，宏觀上表現為硬度的提高。且母材存在更多數量的β相，因β相硬度低于α相［17］，所以熔合區顯微硬度高于母材。由于焊接接頭橫截面越往下熔合區熔池越窄，其晶粒更加細小，阻礙位錯運動的能力越強，因此焊接接頭橫截面上方熔合區顯微硬度低于下方。

圖5 TC4鈦合金焊接接頭顯微硬度Fig.5 Microhardness of TC4 titanium alloy welded joints

母材及焊接接頭拉伸應力-應變曲線如圖6所示，可以看出母材的抗拉強度為942 MPa，焊接接頭的抗拉強度為907 MPa，接頭強度系數達到96%。焊接接頭拉伸斷裂位置為熔合區，從組織上分析，由于焊接接頭中存在αGB，降低了其抗拉強度，在受力過程中，片層狀的α相阻礙位錯滑移，使得位錯在晶界處堆積，產生裂紋并擴展直至斷裂。

圖6 拉伸應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of tensile test

3 結論

（1）TC4鈦合金焊接接頭熔合區由粗大的柱狀晶組成，柱狀晶均以熔合區中心對稱生長，熔合區上部向頂部生長，中部和下部垂直熔合區中心向內生長，從熔合區頂部到底部，柱狀晶尺寸依次減小。熔合區中部組織由以αGB處形核生長的α集束和粗大α片層組成，熔合區邊緣為等軸晶。

（2）熱影響區存在較大的組織不均勻性。靠近熔合線的熱影響區、熱影響區中部、靠近母材的熱影響區的初生α相的體積分數分別為27.36%、47.61%、71.21%。從熔合線到母材，熱影響區初生α相的體積分數逐漸增加。

（3）熔合區顯微硬度高于母材，焊接接頭的抗拉強度略低于母材，接頭強度系數達到96%，拉伸斷裂位置位于熔合區。