TC4鈦合金激光焊接/超塑成形組合工藝研究

張 華，程東海，黃繼華，趙興科，陳樹海

(1.北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083;2.南昌航空大學航空制造工程學院，江西南昌 330063)

鈦合金是航空航天領域最重要的結構材料.鈦合金“超塑成形/擴散連接”(“SPF/DB”)是一種低成本、高效益、近無余量的組合成形工藝，在航空、航天發(fā)動機和飛行器結構件制造方面具有獨特的技術優(yōu)勢，獲得了廣泛的應用［1-9］.但是，傳統(tǒng)的鈦合金DB/SPF組合工藝仍暴露出相當多的問題和局限性.這種局限性均源于擴散連接的固有特點(連接時間長、連接過程需較大壓力、對復雜結構適應性差等).近年來國內外學者研究發(fā)展鈦合金“熔焊/超塑成形”或“熔焊/擴散連接/超塑成形”組合工藝，以替代或改進現(xiàn)有DB/SPF工藝技術.目前，國內外所涉及的熔焊方法主要有氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊、激光焊等［10-16］.

很明顯，要能夠與超塑成形匹配形成組合工藝，所采用的焊接方法必須首先在焊接工藝特點上與超塑成形工藝相適應.激光焊接能量密度高、焊接速度大，其焊縫寬度與鈦合金薄板多層結構超塑成形的要求最為吻合.而且，與電弧類焊接方法(如氬弧焊、等離子弧焊等)相比，激光焊具有熱影響區(qū)窄、焊件變形小、焊縫組織細小等特點，有利于保證接頭的性能和超塑性;與真空電子束焊相比，無需真空條件且適合于焊接薄板，對結構的適應性強，是最適合與超塑成形技術匹配形成“激光焊/超塑成形”或“激光焊/擴散連接/超塑成形”組合工藝的焊接方法.

本文將超塑成形(SPF)和激光焊接技術(LW)相結合，開發(fā)激光焊接/超塑成形組合工藝(LW/SPF)，研究TC4鈦合金激光焊板的超塑性變形行為，并采用激光疊焊/超塑成形制作四層結構模擬構件，驗證其工業(yè)應用的可行性.

1 試驗

試驗材料為北京航空制造工程研究所提供的細晶TC4鈦合金板材，厚度為0.8 mm.鈦合金焊前應進行嚴格清理，激光焊接設備使用本研究室的Lase 4000 CO2軸流激光器，額定輸出功率為4 kW，光束模式為 TEM01，透射鏡聚焦，焦距f=190.5 mm.采用激光焊接獲得成形良好的TC4鈦合金疊焊接頭.

2 結果與分析

2.1 TC4鈦合金激光疊焊接頭顯微組織

圖1(a)為接頭截面組織，三維晶粒的不同取向使二維截面組織中的晶粒呈各種不同的形態(tài).合金元素在β相區(qū)溫度范圍內的擴散速率是在α相區(qū)擴散速率的100倍左右，柱晶區(qū)焊縫高溫停留時間長，原始β晶粒粗大，晶粒尺寸為0.3～0.8 mm，是母材晶粒尺寸的40～60倍.焊縫快速冷卻過程中原始β晶粒內部發(fā)生馬氏體相變，針狀α'馬氏體相在原始β柱狀晶內部形核長大，導致焊縫形成了典形的網籃狀組織.

圖1(b)、(c)分別為上板焊縫和下板焊縫內部組織照片.上板焊縫內部馬氏體分布更密集，這是由于上板焊縫吸收的激光能量大于下板造成的.激光能量作用越強，熔池的能量越高，其熔池攪拌作用也越強，馬氏體針分布更加密集.

熱影響區(qū)(HAZ)為α+β+α'組織(圖2)，該區(qū)域的針狀馬氏體比焊縫少，也更加細小.由于熱影響區(qū)內各部分與熔池距離的不同，所受的影響也不同，靠近熔合線部分較之遠離熔合線的區(qū)域晶粒更為粗大，針狀馬氏體數(shù)量多且更密集.

2.2 TC4鈦合金激光疊焊板超塑性變形

TC4鈦合金激光疊焊板超塑性變形后的宏觀照片如圖3所示.接頭區(qū)域均未斷裂，接頭與母材交界面未脫離，接頭表面未出現(xiàn)明顯的褶皺.疊焊試樣的峰值流變應力低于56 MPa，延伸率可達530%，表明TC4鈦合金疊焊試樣具有良好的超塑性變形能力.

圖1 疊焊接頭顯微組織

圖2 焊縫熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織

圖4為超塑性變形溫度對焊板峰值流變應力的影響曲線.隨著變形溫度的升高，疊焊板的流變應力減小，超塑性變形能力增加.在同一變形溫度下，峰值流變應力隨著初始應變速率的降低而減小.例如拉伸溫度恒定900℃條件下，初始應變速率增加至10-2s-1，峰值流變應力39.75 MPa，當初始應變速率為10-3s-1時，峰值流變應力為10.5 MPa.圖5為變形溫度對焊板延伸率的影響。

圖3 激光疊焊板超塑性變形后宏觀照片

圖4 變形溫度對試樣峰值流變應力的影響

圖5 變形溫度對焊板延伸率的影響

由圖5可知，在相同初始應變速率條件下，延伸率隨溫度的升高而增加明顯.初始應變速率對試樣的延伸率影響不是太明顯.這種現(xiàn)象是由于接頭對焊板超塑性變形頸縮與抗頸縮過程的阻礙作用引起的.

2.3 激光疊焊板超塑性變形顯微組織

圖6所示為900℃、10-3s-1時激光疊焊接頭超塑性變形后各區(qū)域顯微組織照片.

圖6(a)箭頭所示為拉伸方向，中間連接焊縫因承受剪切力而發(fā)生明顯錯位.圖6(b)為未發(fā)生變形的焊縫區(qū)域顯微組織，焊縫中心組織為長片狀組織，說明在高溫作用下，焊縫組織發(fā)生了由針狀馬氏體α'→α+β的一次組織轉變.但由于此區(qū)域未受到應力變形的作用，因此沒有發(fā)生片層組織到等軸組織的二次轉變.

圖6(c)為發(fā)生變形的焊縫區(qū)域顯微組織，此區(qū)域的片層組織更加短小，分布也更雜亂.說明在變形應力的作用下，片層組織發(fā)生了二次轉變，使得片層具有向等軸組織轉變的趨勢，然而由于與母材相比，焊縫發(fā)生變形所需應力更大，因此轉變并不充分.

圖6(d)所示在熔合區(qū)右側為短小片層的焊縫區(qū)域，而左側為近等軸組織的熱影響區(qū)，且熔合區(qū)界限非常明顯.說明焊板超塑性變形過程中，接頭變形并不充分，組織轉變未能達到混合狀態(tài)，接頭各區(qū)域仍在原始組織的區(qū)域發(fā)生轉變.由圖6(e)可見，熱影響區(qū)組織為近似等軸組織，中間夾雜部分細小片層.

2.4 TC4激光疊焊/超塑成形模擬件研制

將激光焊接試樣在真空條件下進行超塑性脹形得到四層板結構件，試樣截面示意圖如圖7(a)所示，其中陰影部分表示焊接接頭截面.激光焊接試樣脹形試驗的工藝參數(shù)為:變形溫度920℃，氣壓2 MPa，脹形時間1 h，零件最終晶粒尺寸為5～7 μm.超塑成形/擴散焊接試驗工藝為:溫度920℃，氣壓2 MPa，脹形時間3 h.

圖7(b)為激光焊接試樣經超塑性脹形成四層結構件照片.采用激光焊/超塑成形組合工藝可制作符合使用要求的TC4鈦合金四層結構件，激光焊縫處完好無裂紋.

3 結論

1)疊焊焊縫組織為粗大的柱狀晶，內部為α'交織成的網籃組織，且上板焊縫中馬氏體分布更密集.熱影響區(qū)中存在少量細小馬氏體組織，且成梯度分布.

圖6 超塑性變形后疊焊接頭顯微組織

圖7 四次結構模擬件LW/SPF制備

2)TC4鈦合金激光疊焊板具有良好的超塑性變形能力，疊焊接頭具備承受焊板超塑性變形的能力，接頭區(qū)域沒有發(fā)生斷裂，接頭與母材的界面也未出現(xiàn)脫離，試樣在母材破壞，但試樣的變形主要集中在母材.

3)激光疊焊/超塑成形組合工藝制作的四層結構件大大降低了試樣在高溫的停留時間，零件最終晶粒尺寸為5～7 μm，是擴散連接/超塑成形組合工藝時試樣的晶粒尺寸的一半，有利于增加零件的強韌性、抗疲勞等性能，提高零件使用壽命.

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