不同退火溫度對Ti-3873合金焊接接頭組織與性能的影響

華允琪，孫世博，田宇航，李壯，呂坤琪，張利

沈陽航空航天大學材料科學與工程學院 遼寧沈陽 110136

1 序言

鈦及鈦合金已被廣泛應用于許多領域[1]，而Ti-3873是一種最具發展潛力的高強β鈦合金。焊接是鈦合金部件制備的關鍵技術之一。焊接接頭出現的問題會嚴重影響鈦合金使用性能[2]。經過激光焊接后的鈦合金，由于塑性變形會引起加工硬化并產生殘余應力，所以有必要對其進行退火處理。本文對Ti-3873亞穩β鈦合金激光焊接頭進行了不同工藝退火處理，并對其組織與性能進行了研究。

2 試驗材料與方法

Ti-3873合金化學成分見表1。采用RFL-C4000X型4000W連續光纖激光器，選用額定輸出功率4kW、中心波長1080nm、紅光功率0.5～1MW的技術參數，并用純Ar氣作為保護氣完成焊接。

表1 Ti-3873 合金化學成分（質量分數） （%）

Ti-3873合金的α→β轉變溫度為768℃±5℃[3]，以此確定了Ti-3873合金焊后退火處理方案。將經過激光焊接的Ti-3873合金線切割出若干試樣，置于SRJX 箱式電阻爐中，經450℃、550℃、650℃、750℃保溫120min爐冷處理。對金相試樣采用4%HNO3酒精試劑腐蝕后在顯微鏡（OLYMPUS）下進行組織分析。在HVS-1000數顯維氏硬度計上測量其維氏硬度，每個試樣上測5個點取平均值。在INSTRON4206型電子機械拉伸試驗機上完成拉伸試驗，測試3組取其平均值。

3 試驗結果與討論

3.1 顯微組織

焊后退火處理后的Ti-3873合金激光焊接接頭的宏觀形貌和顯微組織分別如圖1、圖2所示。

圖1 Ti-3873合金激光焊接接頭的宏觀形貌

圖2 Ti-3873合金焊接熱影響區的顯微組織

由圖2可知，Ti-3873合金焊接接頭經過450℃退火后，在熱影響區位置有孿晶產生，且孿晶組織的產生在焊縫中心也有所體現（見圖2a）；550℃退火后，有等軸狀的β晶粒存在，部分晶粒經過退火后尺寸有所增長，且大小形狀不一（見圖2b）；650℃退火后，熱影響區部分等軸α相數量減少（見圖2c）；750℃退火后，α相長大，同時可發現部分熱影響區晶粒內存在孿晶，出現孿晶的原因可能是焊接過程中的焊接熱變形所致（見圖2d）。同時，由于激光焊接快速冷卻，所以組織中有部分β相留存。

3.2 力學性能

（1）硬度 Ti-3873合金焊接接頭不同溫度退火后熱影響區的硬度平均值見表2。

表2 Ti-3873焊接接頭不同溫度退火前后硬度平均值

隨著退火溫度的增加，Ti-3873合金焊接接頭平均硬度值呈先上升再下降趨勢。其中，退火處理參數為550℃保溫120min下的平均硬度值最高，Ti-3873合金熱影響區硬度值最大為427.9HV10。經過不同參數退火的鈦合金焊接試樣硬度值與未進行退火處理相比，焊接接頭的平均硬度值均有所提升，分析原因認為是焊接造成焊接接頭產生殘余應力，使硬度升高。退火處理去除了焊接接頭的殘余應力，使接頭組織更均勻。

（2）力學性能 不同參數退火處理后Ti-3873合金焊接接頭單組測試的力學性能見表3。

表3 Ti-3873合金焊接接頭退火前后的力學性能

由表3可知，Ti-3873合金焊接接頭在550℃保溫120min后抗拉強度達到最高（1279.27MPa），經過不同退火參數處理后Ti-3873合金焊接接頭的屈服強度也有所改善。而經過650℃保溫120min退火后，抗拉強度較前降低不多，而斷后伸長率提高，應為最佳退火工藝。

3.3 結果分析與討論

本研究中鈦合金含有較高含量的β相穩定元素Mo（見表1），β穩定元素能降低合金的β轉變溫度，穩定β相組織。由于β相穩定元素含量較高和激光焊接冷卻速度較快，因此鈦合金激光焊接接頭組織開始由單一的β相組成，但在退火的冷卻過程中β相又析出了細小的α相（見圖2c）。

有研究表明[4]，在亞穩態β鈦合金中，β相基體上分布的過渡相或穩定α相的尺寸、形態和體積分數決定了亞穩態β鈦合金的性能，且α相越細小，α相的量越多，合金的強度就越高。由于不同含量α相在β相晶內和晶界上析出，Ti-3873合金焊接接頭經過550℃保溫120min退火處理后，抗拉強度與其鍛態母材的強度相比有所提升，但塑性有所降低。退火態焊接接頭強度提高的原因在于退火處理后α強化相的析出和殘余應力的消除。

Ti-3873合金焊接接頭經過退火處理后，熱影響區的初生α相隨著退火溫度的增加，尺寸有所增長，細小的α相已經被粗大的等軸、粗針狀、條狀α相所取代（見圖2d）。母材的顯微組織隨著退火溫度的增加由“團絮狀”組織向多邊形β相轉變。Ti-3873合金焊接接頭經過不同參數的退火處理，在750℃退火后，Ti-3873焊縫中心的顯微組織β晶粒輪廓清晰可見；部分熱影響區晶粒內出現了孿晶（見圖2）。Ti-3873合金焊接接頭在不同參數下退火的硬度峰值都出現在熱影響區位置，且焊縫中心和母材的硬度大致相等。隨著退火溫度的增加，Ti-3873合金焊接接頭各區域平均硬度呈先上升再下降趨勢，在550℃保溫120min后抗拉強度達到最高（1279.27MPa）。

4 結束語

1）Ti-3873合金焊接接頭經過不同參數的退火處理后，在750℃退火后部分熱影響區晶粒內出現了孿晶。

2）隨著退火溫度的增加，Ti-3873合金焊接接頭各區域平均硬度呈先上升再下降趨勢。Ti-3873焊接接頭在550℃退火后抗拉強度達到1279.27MPa的最高值。

3）Ti-3873合金焊接接頭經650℃退火，能夠獲得良好的綜合性能，為最佳退火工藝。