熱處理工藝對(duì)TA15線性摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能的影響

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 劉 穎 張?zhí)飩} 張傳臣

目前，鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料[1]是先進(jìn)飛機(jī)的主要應(yīng)用材料，而鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著不可替代的作用。其中，TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，具有中等的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能，較高的比強(qiáng)度、抗蠕變性和抗腐蝕性[2]。目前，TA15鈦合金被廣泛應(yīng)用于制造高性能飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)部件，其被用于制造焊接承力結(jié)構(gòu)也成為近年來的研究熱點(diǎn)[3]。

線性摩擦焊是近幾年發(fā)展起來的一種新型固相焊接技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的可靠和優(yōu)質(zhì)連接。與常規(guī)焊接與連接技術(shù)相比，線性摩擦焊具有許多優(yōu)點(diǎn)：能夠獲得致密的鍛造組織，接頭綜合力學(xué)性能良好；焊接過程在大氣環(huán)境下進(jìn)行，無需氣體保護(hù)和真空條件；可焊接大尺寸、大截面以及異種金屬材料的鈦合金等有色金屬構(gòu)件[4-5]。因此，線性摩擦焊技術(shù)在飛機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的制造中擁有廣闊的應(yīng)用前景。線性摩擦焊應(yīng)用于TA15鈦合金構(gòu)件整體制造已經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員的共識(shí)，并且已經(jīng)進(jìn)行了大量工藝試驗(yàn)，然而對(duì)TA15鈦合金線性摩擦焊后的接頭熱處理工藝的研究仍是這一領(lǐng)域的空白。

本文通過對(duì)TA15線性摩擦焊接頭進(jìn)行不同的焊后熱處理工藝試驗(yàn)，研究熱處理后焊接接頭的組織和力學(xué)性能變化趨勢(shì)，為TA15鈦合金線性摩擦焊結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法和過程

試驗(yàn)材料為TA15鈦合金鍛件，狀態(tài)為退火態(tài)+吹砂酸洗處理，母材組織為等軸α+針狀的（α+β）組成，如圖1所示。焊接試樣尺寸為20mm×130mm×750mm，每2塊試樣進(jìn)行對(duì)接焊。焊后采用3種熱處理溫度對(duì)接頭進(jìn)行退火處理，分別為650℃、750℃、850℃，保溫時(shí)間均為3h。分別對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)的接頭金相組織進(jìn)行觀察，測(cè)試不同狀態(tài)的力學(xué)性能和疲勞性能，金相試樣侵蝕采用 Keller 試劑：HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶17，接頭的拉伸測(cè)試按照GB/T228-2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，疲勞性能測(cè)試按照GB/3075-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，夏比沖擊性能測(cè)試按照GB/T229-1994標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。力學(xué)性能和疲勞性能測(cè)試時(shí)利用金相觀察保證焊縫位于試樣的中心。

圖1 TA15鈦合金基體組織形貌Fig.1 Microstructure of TA15 titanium alloy base metal

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭金相組織分析

圖2為TA15鈦合金線性摩擦焊接頭的低倍組織形貌。從圖2可以看出，焊后2塊試樣的原始界面消失，接頭分為3個(gè)明顯區(qū)域：母材區(qū)（BM）、熱力影響區(qū)（TMAZ）以及焊縫區(qū)（WZ）。

圖2 TA15接頭焊后低倍組織形貌Fig.2 Microstructure of as-welded TA15 joint

TA15線性摩擦焊接頭熱處理前后焊縫區(qū)顯微組織如圖3所示。從圖3（a）中可以看出，焊態(tài)條件下焊縫組織為具有魏氏組織結(jié)構(gòu)的針狀α′相，說明摩擦焊接過程中界面溫度超過基體材料的相變溫度，焊縫組織發(fā)生相變?cè)俳Y(jié)晶。焊后由于在室溫條件下冷卻，接頭溫度冷卻速率較快，再結(jié)晶晶粒長大所需驅(qū)動(dòng)力不足，因此以針狀亞穩(wěn)態(tài)的形式保留。圖3（b）為經(jīng)650℃/3h熱處理后焊縫顯微組織，可以看出，熱處理后焊縫中的針狀亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢应?保留β相。熱處理后焊縫組織的轉(zhuǎn)變表明，焊態(tài)條件下焊縫組織中儲(chǔ)存有大量變形激活能，在熱處理過程中，焊縫組織獲得一定的能量促使亞穩(wěn)態(tài)組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，并長大為片層結(jié)構(gòu)，并且熱處理后的焊縫組織更加均勻。隨著熱處理溫度的升高，片層狀α相和保留β相逐漸增大，如圖3（c）、圖3（d）所示。

圖3 TA15接頭焊縫區(qū)熱處理前后顯微組織形貌Fig.3 WZ Microstructure of TA15 joint before and After heat treatment process

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)的TA15鈦合金線性摩擦焊試件進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，熱處理后接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率變化不大。這是因?yàn)閿嗔盐恢镁鶠槟覆?，一方面說明測(cè)試的性能結(jié)果并不能有效反映焊接接頭對(duì)熱處理工藝的敏感性，另一方面，也說明焊接接頭的強(qiáng)度在熱處理前后均高于母材。

對(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)的TA15鈦合金線性摩擦接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。由于線性摩擦焊焊縫區(qū)狹窄，難以保證“V”形或“U”形缺口底部中心開在焊縫區(qū)，因此本試驗(yàn)采用室溫不開缺口的沖擊方法，沖擊錘落在焊縫中心界面部位，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。熱處理后TA15線性摩擦焊接頭沖擊吸收功高于焊態(tài)，并且隨著熱處理溫度的增加，沖擊功呈現(xiàn)先增加隨后減小的趨勢(shì)，熱處理溫度為750℃時(shí)接頭沖擊功達(dá)到最大。

表1 TA15線性摩擦焊接頭拉伸性能

圖4 熱處理前后焊縫沖擊功Fig.4 Impact energy of weld joint before and after heat treatment process

焊接接頭焊態(tài)組織為較粗大魏氏組織，韌性較差，因此焊態(tài)的沖擊試樣沖擊功最低。隨著熱處理溫度升高，變形激活能逐漸釋放，片層狀α相和保留β相逐漸增大，當(dāng)熱處理工藝為750℃/3h時(shí)，熱處理后得到的組織使韌性達(dá)到最佳狀態(tài)。隨著熱處理溫度升高，片層結(jié)構(gòu)粗大，使得接頭韌性下降。

2.3 高周疲勞性能結(jié)果與討論

進(jìn)行焊態(tài)和熱處理態(tài)的TA15鈦合金線性摩擦焊試件高周疲勞性能試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為R=-1，Kt=1，N=1×107，每組各15件。圖5為TA15線性摩擦焊接頭不同熱處理工藝下高周疲勞強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。可以看出，熱處理后TA15線性摩擦焊接頭高周疲勞強(qiáng)度較焊態(tài)有明顯的提高，熱處理工藝為650℃/3h時(shí)，接頭的高周疲勞強(qiáng)度最高；隨著熱處理溫度升高，接頭的高周疲勞強(qiáng)度降低。

圖5 熱處理前后焊縫的高周疲勞強(qiáng)度Fig.5 Fatigue stress of weld joint before and after heat treatment process

熱處理后，接頭的微觀組織發(fā)生了一定變化，而微觀組織對(duì)疲勞斷裂特征的影響主要反應(yīng)在疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。圖6對(duì)比了熱處理前后接頭疲勞斷口擴(kuò)展區(qū)的形貌。可以看出，熱處理前試件疲勞斷口較平整、疲勞條紋較少，且擴(kuò)展區(qū)的二次裂紋較少，因此裂紋擴(kuò)散速度較快、疲勞強(qiáng)度較低。而熱處理后的疲勞斷口起伏明顯，并可觀察到更多的二次裂紋以及疲勞條紋，說明裂紋在擴(kuò)展過程中產(chǎn)生疲勞抗力較大，降低了裂紋擴(kuò)展速度，提高了接頭的疲勞壽命[4-6]。隨著熱處理溫度升高，焊接接頭組織逐漸變粗大，對(duì)疲勞裂紋的阻力減小，疲勞強(qiáng)度降低。

圖6 疲勞斷口形貌Fig.6 Fracture surface of fatigue

3 結(jié)論

（1）TA15鈦合金線性摩擦焊接頭焊態(tài)條件下焊縫組織為具有魏氏組織結(jié)構(gòu)的針狀α′相，熱處理后焊縫中的針狀亞穩(wěn)態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢应?保留β相。隨著熱處理溫度升高，片層狀α相和保留β相有長大粗化現(xiàn)象。

（2）TA15線性摩擦焊焊接接頭熱處理后的拉伸強(qiáng)度高于母材，沖擊韌性較未熱處理狀態(tài)有明顯提高，熱處理溫度為650℃和750℃時(shí)，高周疲勞強(qiáng)度有明顯的提高。

（3）為保證TA15線性摩擦焊焊接接頭具有良好的綜合性能，熱處理溫度不應(yīng)高于750℃。

[1] 馬金瑞,黃峰,趙龍,等. Z-Pin/RTM成型工藝影響因素分析及工藝研究.航空制造技術(shù),2014(15):118-121.

[2] 沙愛學(xué),李興無,儲(chǔ)俊鵬. TA15鈦合金的普通退火. 稀有金屬,2003 ,27 :213-215.

[3] 賴運(yùn)金，張豐收，杜予晅,等. 熱處理對(duì)TA15鈦合金高周疲勞性能的影響. 中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010，20(10)：62-65.

[4] 張?zhí)飩},韋依,周夢(mèng)慰,等. 線性摩擦焊在整體葉盤制造中的應(yīng)用 . 航空制造技術(shù)，2004(11)：56-58.

[5] 孫成彬,張?zhí)飩}，李晶,等. 高溫鈦合金Ti60線性摩擦焊接頭形貌特征及接頭性能分析. 電焊機(jī)，2008(11)：1-5.

[6] 張棟,鐘培道,陶春虎,等. 失效分析. 北京：國防工業(yè)出版