ZTA15鈦合金鑄棒TIG焊接頭組織與力學性能研究

鄭 濤，郭紹慶，陳 昊，施瀚超，熊華平

1.中國航發北京航空材料研究院 焊接與塑性成形研究所，北京 100095

2.空軍裝備部駐北京地區第六軍事代表室，北京 100024

0 前言

ZTA15鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V，屬于近α鈦合金，具有良好的鑄造工藝性能、焊接性能和綜合力學性能，是飛機、航空發動機結構常用的鈦合金材料［1-3］，已廣泛應用于發動機關鍵部位和飛機機身結構件的制造［4-6］，如國內某型飛機采用鑄造鈦合金熱等靜壓鑄件作為主要承力構件，實現飛機低成本、輕量化制備。

ZTA15鈦合金在鑄造成形過程中容易出現縮孔、氣孔、疏松、夾雜等缺陷［7］，大大降低了ZTA15鈦合金鑄件的使用性能。疏松、氣孔缺陷一般可以通過熱等靜壓工藝消除，而縮孔缺陷則需要X光檢驗測定縮孔部位后，通過機械加工方法去除缺陷后再進行補焊，補焊方法包括TIG焊［8］、激光焊［9-10］、釬焊［11-12］，補焊質量直接關系到ZTA15鑄件的力學性能和使用壽命［13-15］，故研究ZTA15鈦合金鑄件鑄造缺陷補焊技術有著重要的工程意義。

本文選用TC4焊絲作為填充材料，對ZTA15鈦合金鑄件的TIG焊接工藝進行研究，分析焊接接頭組織、力學性能及相關機理，為最終形成適用的ZTA15鈦合金鑄件補焊工藝提供理論基礎。

1 試驗材料及方法

表1 ZTA15鈦合金及TC4焊絲主要化學成分（質量分數，%）Table 1 Main chemical composition of ZTA15 titanium alloy and TC4 welding wire（wt.%）

為了避免焊接接頭在焊接過程中被污染，設計制作了鈦合金焊接專用工裝（見圖1），對焊接接頭進行全面氣體保護。焊前采用機械清理的方法對母材進行清理，用丙酮擦洗焊絲及焊接工裝，避免外部污染。

圖1 鈦合金焊接專用工裝示意Fig.1 Schematic diagram of specific welding tooling for titanium alloy

試驗設備采用Fronius Magic Wave3000型氬弧焊機，選用99.99%高純氬氣作為保護氣體，采用多層多道手工TIG焊，參照HB/Z 120—2011中雙面V型坡口對接的裝配尺寸加工ZTA15鑄棒，如圖2所示，坡口角度為60°，鈍邊1.5 mm，陰影區域為TC4填充焊材。TIG焊接電源采用直流正接，焊接工藝參數如表2所示。為有效減少焊后殘余拉應力，防止焊接裂紋的產生，對焊接接頭進行真空熱處理，真空熱處理工藝為：730℃保溫3 h，隨爐冷卻至100℃以下出爐。

圖2 焊接試棒加工示意Fig.2 Schematic diagram of welding test rod processing

表2 ZTA15鈦合金TIG焊接參數Table 2 TIG welding parameters for ZTA15 titanium alloy

利用線切割加工取得焊縫區域的金相試樣并進行粗磨、精磨、拋光處理，選用Kroll試劑（95 mL水+3 mL HNO3+2 mL HF）腐蝕試樣，在LEICA DM4M型光學金相顯微鏡下觀察接頭顯微組織，采用Nova-Nano SEM 450型掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

將9根熱處理態的焊接試棒按圖3所示分別取樣，加工成6根拉伸試樣和3個沖擊試樣，沖擊試樣開U型缺口，缺口位置位于焊縫金屬中心。取3根拉伸試樣參照GB/T 228.1—2021進行室溫拉伸性能測試，其余3根拉伸試樣參照GB/T 4338—2006進行400℃高溫拉伸性能測試，3個沖擊試樣參照GB/T 229—2020進行室溫沖擊性能測試。

圖3 試樣的取樣位置及加工示意Fig.3 Schematic diagram of sampling position and processing of samples

2 試驗結果與分析

2.1 焊接接頭的顯微組織

對焊接接頭質量進行X射線檢測，結果顯示，焊縫中未發現任何氣孔、裂紋及未熔合缺陷。ZTA15焊接接頭不同區域的顯微組織如圖4所示。焊縫區晶粒為粗大的柱狀晶，沿著散熱的反方向向焊縫中心生長［16］，而熱影響區和母材區的晶粒則為規則、尺寸不均的等軸晶。

熱等靜壓態的ZTA15顯微組織為片狀α相+晶間β相（見圖4b）。母材在α+β兩相區的長時保溫且高壓作用下，晶內α相組織粗化，晶界α相逐漸寬化且增多，組織進一步均勻［17-18］。

鈦合金具有可逆變換性，當溫度超過相變溫度時，晶體結構會發生改變。熱影響區在焊接過程中受高溫發生組織轉變（見圖4c），形成高溫β相，在快速冷卻過程中發生無擴散相變，形成針狀馬氏體α'相，原生α相不發生轉變而直接殘留下來，最終形成針狀α'相+片狀α相+β基體。

圖4 ZTA15焊接接頭微觀組織形貌Fig.4 Microstructure of welded joint of ZTA15

焊縫組織主要由針狀馬氏體α'相+片狀α相+β基體組成（見圖4d），晶粒內部形成相互交織的針狀馬氏體α'相，近似網籃狀組織。這是由于焊縫區是焊接溫度最高的區域，焊縫金屬自高溫β單相區快速冷卻至室溫，馬氏體α'相通過切變在β晶粒內部形成，沿著某個晶面成堆地長成針狀。此外，焊接過程中焊縫內不同區域經歷復雜的焊接熱循環過程，隨著焊接過程的進行，部分針狀馬氏體α'相轉化為高溫β相，并由于冷速大大降低而轉變為片狀α 相［19-20］。

2.2 焊接接頭的力學性能

焊接接頭的室溫、400℃拉伸性能和室溫沖擊韌性試驗結果如表3～表5所示。焊接接頭室溫、400℃的抗拉強度、屈服強度均高于ZTA15鑄棒，拉伸試樣的斷裂位置均位于母材（見圖5a、5b）；而室溫和400℃拉伸試驗的斷后延伸率分別為4.6%和6.4%，達到母材的41.8%和37.2%；焊接接頭的室溫沖擊韌性與母材相近，達到母材的95.5%，沖擊試樣的斷裂位置位于焊縫中心（見圖5c）。

圖5 焊接接頭室溫、400℃拉伸及室溫沖擊試樣Fig.5 Room temperature，400℃tensile and room temperature impact samples of welded joint of ZTA15

表3 ZTA15焊接接頭室溫拉伸性能Table 3 Tensile properties of welded joint of ZTA15 at room temperature

表4 ZTA15焊接接頭400℃拉伸性能Table 4 Tensile properties of welded joint of ZTA15 at 400℃

表5 ZTA15焊接接頭室溫沖擊韌性Table 5 Impact toughness properties of welded joint of ZTA15 at room temperature

2.3 斷口形貌

采用掃描電子顯微鏡對室溫拉伸試樣、400℃拉伸試樣及室溫沖擊試樣的斷口形貌進行觀察，其形貌分別如圖6～圖8所示。室溫拉伸試樣斷口的裂紋擴展方向如箭頭所示，斷口表面起伏小，局部表面光滑平整，無目視可見的二次裂紋（見圖6a）；斷口形貌可見多道撕裂棱及小尺寸韌窩（見圖6b），韌窩深度較淺，雖然有韌性斷裂韌窩，但解理面的出現顯著降低其塑性，脆性斷裂起主要作用［21-23］，斷裂機制為準解理斷裂。

圖6 室溫拉伸斷口形貌Fig.6 SEM morphology of tensile fracture surface at room temperature

400℃拉伸試樣斷口的裂紋擴展方向如箭頭所示，斷口表面起伏較大，存在局部“凹坑”，瞬斷區表面光滑、平整，無目視可見的二次裂紋（見圖7a）；斷口形貌可見光滑解理臺階及多道撕裂棱，局部發生韌性斷裂，形成小尺寸韌窩（見圖7b），其斷裂機制仍為準解理斷裂。

圖7 400℃拉伸斷口形貌Fig.7 SEM morphologies of tensile fracture surface at 400℃high temperature

室溫沖擊試樣宏觀斷口表面有河流花樣，但又具有較大塑性變形產生的多道撕裂棱，局部目視可見二次裂紋（見圖8a）；微觀斷口形貌可見大量拋物線韌窩及少量等軸韌窩，韌窩尺寸小且淺（見圖8b）；其斷裂機制為準解理斷裂，是一種脆性穿晶斷口。

圖8 室溫沖擊斷口形貌Fig.8 SEM morphology of impact fracture surface at room temperature

3 結論

（1）以TC4焊絲為填充材料對ZTA15鈦合金鑄棒進行TIG焊接，焊接接頭質量良好，焊縫組織由針狀馬氏體α'相+片狀α相+β基體組成，形成近似網籃狀組織；熱影響區在高溫快冷過程中發生無擴散相變，β相轉變為針狀馬氏體α'相，形成針狀α'相+片狀α相+β基體組織。

（2）焊接接頭的室溫、400℃抗拉強度分別為1 033.7 MPa和675.0 MPa，均高于ZTA15鑄件，斷后延伸率分別為母材的41.8%和37.2%；而接頭的室溫沖擊韌性與母材相近，達到母材的95.5%。

（3）室溫、400℃拉伸試樣的斷裂位置均位于母材區，而室溫沖擊試樣的斷裂位置位于焊縫區。試樣斷口均呈現出光滑平整的解理臺階、多道撕裂棱及局部小尺寸韌窩，脆性斷裂起到主要作用，斷裂機制均為準解理斷裂。