焊后消應(yīng)力對TC4鈦合金電子束焊接接頭組織和性能的影響

劉永強(qiáng)， 莊明祥， 章文亮， 王維賢

1. 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089

2. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045

0 引言

TC4 鈦合金是一種常見的α+β 雙相鈦合金，具有比強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐腐蝕性優(yōu)異及低密度等優(yōu)勢，在航空航天尤其是飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。焊接作為一種可靠的連接方式，滿足了我國航空制造對于構(gòu)件輕量化、整體化制造的需求。真空電子束焊接具有能量密度高、焊縫深寬比大、焊接變形小等特點(diǎn)，非常適合無磁性、焊接性能優(yōu)良的TC4 鈦合金的焊接加工。鈦合金的真空電子束焊技術(shù)已應(yīng)用于F14戰(zhàn)斗機(jī)、F22戰(zhàn)斗機(jī)、波音787 等飛機(jī)構(gòu)件的整體化制造，F(xiàn)22 戰(zhàn)機(jī)焊縫總長3 000 in［5-8］。

TC4真空電子束焊后采用熱處理方法進(jìn)行組織調(diào)控，研究人員針對熱處理對接頭性能的影響開展了研究，主要集中在強(qiáng)化熱處理方法。韓鵬［9］等人研究了兩種焊前強(qiáng)化熱處理對70 mm 厚TC4-DT鈦合金電子束焊接接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，雙重退火制度下接頭的沖擊強(qiáng)度與母材相當(dāng)。陳瑋［10］等人研究了Ti-22Al-24Nb-0.5Mo 合金電子束焊接接頭焊熱處理后的性能，固溶+時(shí)效熱處理更有利于高溫持久壽命。王世清［11］等人研究了不同熱處理工藝對10 mm 厚的異種鈦合金TC4/Ti60電子束焊接接頭組織和性能的影響，固溶時(shí)效后，組織更加均勻，塑性增強(qiáng)。

目前對于TC4 鈦合金電子束焊接接頭消除應(yīng)力退火的研究相對較少。本文采用真空電子束對30 mm 厚TC4 鈦合金進(jìn)行對接焊，焊后采用兩種消除應(yīng)力熱處理，研究兩種熱處理對接頭組織和性能的影響，為實(shí)際構(gòu)件生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為TC4 板材，規(guī)格300 mm×100 mm×30 mm，其化學(xué)成分見表1。焊縫沿長度方向，焊縫背面設(shè)置尺寸為300 mm×15 mm×15 mm的墊條，采用單面一次穿透焊接。電子束焊接工藝參數(shù)見表2，焊后熱處理制度見表3。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy（wt.%）

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

表3 焊后熱處理制度Table 3 Postweld heat treatment system

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 顯微組織分析

焊接接頭宏觀橫截面及取樣方式如圖1所示。將焊接接頭截面分為上、中、下3 層，接頭微觀形貌如圖2所示。同時(shí)，對上、中、下3層試件分別截取試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕制成金相樣品，在光學(xué)顯微鏡下各區(qū)域微觀組織。去應(yīng)力退火和完全退火狀態(tài)下的電子束焊接接頭微觀組織見圖3、圖4，其中-1、-2、-3分別代表第一層、第二層和第三層。

圖1 接頭的宏觀橫截面Fig.1 Macro cross section of welded metal

圖2 接頭的微觀形貌Fig.2 Microstructure of EBW welded joint

圖3 去應(yīng)力退火下電子束焊接接頭微觀組織Fig.3 Microstructure of EBW welded joint under stress relief annealing

圖4 完全退火下電子束焊接接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of EBW welded joint under complete annealing

焊接接頭BM區(qū)主要為等軸α相+板條狀α相與晶間β相組成的雙相組織，HAZ區(qū)由初生α相、針狀馬氏體α′相以及板條狀α相+β相的雙相組織組成，WM 區(qū)主要由大量的針狀馬氏體α′相和少量分布在原始β晶界的α相組成。焊接過程中熔合區(qū)溫度最高，超過了β相相變溫度，發(fā)生α→β轉(zhuǎn)變，焊接結(jié)束后冷卻速度快，形成馬氏體α′相，距離熔合線越遠(yuǎn)，焊接時(shí)溫度越低，這種相變越不徹底。由母材逐漸靠近熔合線，等軸α相逐漸發(fā)生相變，晶界逐漸模糊，直至形成粗大的β相，冷卻時(shí)在β晶界內(nèi)形成針狀馬氏體α′相，β晶界處α相析出。在HAZ區(qū)，焊后冷卻速度相對較慢，β相內(nèi)形成片狀次生α相。

由圖3、圖4可以看出，沿焊縫深度方向，每一層BM 區(qū)、HAZ、WM 區(qū)的組織基本一致，試板沿厚度方向的組織差異性很小。

對比兩種熱處理狀態(tài)。在BM 區(qū)，去應(yīng)力退火狀態(tài)下組織中的雙相組織（板條狀α 相+晶間β 相）的數(shù)量較完全退火狀態(tài)下組織中的多，完全退火狀態(tài)下等軸α 相晶粒更大，體積占比更大。在HAZ，去應(yīng)力退火狀態(tài)下的初生α 相晶界模糊，完全退火狀態(tài)下的組織更接近于BM 區(qū)。在WM 區(qū)，去應(yīng)力退火狀態(tài)下β 相晶界比較明顯，整體更接近于魏氏體組織，完全退火狀態(tài)下，針狀馬氏體α′相排列更加規(guī)律，數(shù)量更多，長寬比更小。

兩種熱處理溫度都在等軸α相向β相的轉(zhuǎn)變點(diǎn)之下，BM 區(qū)均是典型的雙相組織。完全退火溫度更高，更有利于α相的生長，α相球化程度更高，BM區(qū)等軸α 相晶粒更加粗大，HAZ 區(qū)更接近BM 區(qū)組織，WM區(qū)馬氏體α′相數(shù)量增多，長寬比更小。

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

TC4 電子束焊接接頭分2 層進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，每層3 個試樣。拉伸試驗(yàn)按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，拉伸試驗(yàn)尺寸如圖5所示。

圖5 拉伸試樣尺寸示意Fig.5 Dimension diagram of tensile specimen

兩種熱處理狀態(tài)下的電子束焊接接頭室溫拉伸結(jié)果如圖6、圖7所示，試樣均斷裂于母材區(qū)，為韌性斷裂。去應(yīng)力退火狀態(tài)下，母材的抗拉強(qiáng)度平均值為935.81 MPa，接頭第一層和第二層的平均抗拉強(qiáng)度分別為944.73 MPa、935.81 MPa，平均屈服強(qiáng)度分別為890.67 MPa和883.86 MPa，強(qiáng)度達(dá)到母材的100%。完全退火狀態(tài)下，第一層和第二層的平均抗拉強(qiáng)度分別為953.64 MPa、953.63 MPa，平均屈服強(qiáng)度為916.25 MPa、914.45 MPa，強(qiáng)度高于母材。

圖6 去應(yīng)力退火態(tài)下接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Tensile test results of welded joint in stress relieved annealed state

圖7 完全退火態(tài)下接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Tensile test results of welded joint in fully annealed state

對比兩種熱處理狀態(tài)，完全退火狀態(tài)下接頭的平均拉伸強(qiáng)度明顯高于去應(yīng)力退火狀態(tài)下接頭的平均拉伸強(qiáng)度。結(jié)合顯微組織分析，可能原因是去應(yīng)力退火狀態(tài)下接頭中BM 區(qū)的雙相組織數(shù)量較多，各相排列比較彌散，抗拉能力相對較弱。

2.3 沖擊結(jié)果分析

TC4 電子束焊接接頭分2 層進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，每層2 個區(qū)域（HAZ 和WM），每個區(qū)域3 個試樣。沖擊試驗(yàn)按GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，沖擊試樣尺寸示意如圖8所示。

圖8 沖擊試樣尺寸示意Fig.8 Dimension diagram of impact specimen

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，試樣均為韌性斷裂。去應(yīng)力退火態(tài)母材的平均沖擊功為34.59 J。去應(yīng)力退火狀態(tài)下，接頭WM區(qū)第一層沖擊功為40.8 J，第二層沖擊功較低（34.5 J），為母材的99.7%。熱影響區(qū)第一層沖擊功為36.5 J，為母材的105.4%，第二層沖擊功為36.3 J。完全退火狀態(tài)下接頭WM區(qū)第一層沖擊功為31.8 J，第二層沖擊功為26.4 J，為母材沖擊功的76.3%，HAZ 區(qū)第一層沖擊功為36.0 J，第二層沖擊功為32.3 J，為母材的93.4%。

對比兩種熱處理狀態(tài)，完全退火狀態(tài)下的接頭沖擊功相比去應(yīng)力退火狀態(tài)更小，韌性更差。WM區(qū)的沖擊功差別更加明顯，HAZ區(qū)差距較小。結(jié)合顯微組織分析，在WM區(qū)，與去應(yīng)力退火態(tài)相比，完全退火接頭中的針狀馬氏體α′相更多，組織更加均勻，馬氏體α′相為脆性組織，隨著其數(shù)量增多，長度變短，排列規(guī)則化，抗沖擊性能下降。在HAZ區(qū)，兩種熱處理狀態(tài)下接頭的組織組織一致，馬氏體α′相都較少，完全退火狀態(tài)下組織更加均勻，等軸α相晶界更明顯，抗沖擊性能較弱，但差別不明顯。

3 結(jié)論

針對30 mm厚TC4鈦合金電子束焊接接頭，研究了在不同焊后退火熱處理制度下接頭的組織和力學(xué)性能。

（1）兩種熱處理狀態(tài)下，接頭BM區(qū)均是典型的等軸α 相和板條狀（α+β）相的雙相組織。完全退火溫度更高（750 ℃），α相球化程度更高，BM區(qū)等軸α相晶粒更加粗大，HAZ區(qū)更接近BM區(qū)組織，WM區(qū)馬氏體α′相數(shù)量增多，長寬比更小。

（2） 750 ℃×2 h 完全退火狀態(tài)下接頭的平均拉伸強(qiáng)度明顯高于去應(yīng)力退火狀態(tài)下（600 ℃×4 h）接頭的平均拉伸強(qiáng)度。可能原因是去應(yīng)力退火狀態(tài)下接頭中BM區(qū)板條狀（α+β）相數(shù)量較多，排列比較彌散，抗拉能力相對較弱。

（3）完全退火狀態(tài)下接頭的沖擊功相比去應(yīng)力退火狀態(tài)更小，韌性更差。完全退火狀態(tài)下接頭中針狀馬氏體α′相更多，組織更加均勻，抗沖擊性能更差。