TC17鈦合金焊接接頭組織與力學(xué)性能分析

（中國航空制造技術(shù)研究院航空焊接與連接技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

鈦合金具有高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的抗腐蝕性能，同時(shí)也具有較好的熱穩(wěn)定性以及熱加工性能，是優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料[1-5]。TC17是一種富β穩(wěn)定元素的α-β型兩相鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。含有α穩(wěn)定元素Al、中性穩(wěn)定元素Sn和Zr、同晶型β穩(wěn)定元素Mo、共析型β穩(wěn)定元素Cr，該合金具有斷裂韌性好、強(qiáng)度高、鍛造溫度范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)[6-7]，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)框梁等承力構(gòu)件和發(fā)動(dòng)機(jī)的葉盤等承受大應(yīng)力的轉(zhuǎn)子部件，而這些構(gòu)件中的很大一部分又采用了焊接結(jié)構(gòu)[8]。TC17鈦合金可以采用熔焊（如氬弧焊、激光焊、電子束焊）和釬焊、摩擦焊等多種方法焊接，焊接接頭的力學(xué)性能是影響焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用的重要因素[9]。

氬弧焊(TIG焊)是工程上最為常用的焊接方法，常用于鈦合金薄板焊接。電子束焊在鈦合金的焊接中被廣泛應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是熱源能量密度高、熱效率高，接頭焊縫的熔深比大，熱影響區(qū)小、焊接變形小，熔池周圍處于真空保護(hù)環(huán)境中，焊接質(zhì)量較好[10]。本研究通過試驗(yàn)獲得了TC17鈦合金氬弧焊和電子束焊工藝規(guī)范和參數(shù)，對(duì)TC17鈦合金采用兩種焊接方法的接頭力學(xué)性能和微觀組織的關(guān)系進(jìn)行了分析，為兩種焊接方法在工程中的選用和工藝優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為方塊鍛件，焊接試樣為由鍛件經(jīng)過機(jī)加工而成的厚2.3mm的板材。研究中采用的TC17鈦合金的化學(xué)成分如表1所示。

鈦合金顯微組織如圖 1所示，為在β區(qū)鍛造和熱處理后形成的網(wǎng)籃組織，所有原始β晶界已破碎。

焊前用4% HF+10% HNO3的水溶液清洗試片,并要求從酸洗到焊接中間的間隔時(shí)間不能過長, 焊前采用干凈棉球蘸丙酮擦拭待焊處。

氬弧焊試驗(yàn)所用設(shè)備為六軸弧焊機(jī)器人，焊接過程中，焊槍、拖斗和夾具上位于焊縫下的墊板上的小孔內(nèi)均通有氬氣作為保護(hù)氣體，保護(hù)焊縫不受外部氣氛的影響；同時(shí)，在焊槍內(nèi)通冷卻水。對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)之間的匹配進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，獲得了2.3mm厚TC17鈦合金平板焊接工藝參數(shù)為：電弧電壓9.5V，焊接電流90A，焊接速度24cm/min，送絲速度40cm/min，焊槍內(nèi)氬氣流量15L/min，拖斗和墊板內(nèi)氬氣流量5L/min。

電子束焊試驗(yàn)所用設(shè)備型號(hào)為ZD150-15MH。通過試驗(yàn)，獲得電子束焊接工藝參數(shù)為：電壓120kV，聚焦束流1990mA，電子束流27mA，焊接速度25 mm/s。

試板在焊后進(jìn)行了去應(yīng)力熱處理，熱處理后將試板加工成標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后制取試件的斷口試樣，并沿垂直焊接方向截取焊縫金相試樣，采用Leica DM6000M光學(xué)顯微鏡和Supra55掃描電子顯微鏡分析顯微組織形貌。

2 接頭截面組織形貌

對(duì)氬弧焊接頭橫截面進(jìn)行了組織觀察，如圖2所示?？梢钥闯鼋宇^明顯的分為焊縫區(qū)、粗晶熱影響區(qū)、過渡區(qū)和母材區(qū)。在經(jīng)歷氬弧焊接熱循環(huán)后，焊縫及靠近焊縫的熱影響區(qū)晶粒長大嚴(yán)重。焊縫區(qū)可以觀察到明顯的板條析出α相，呈現(xiàn)典型的網(wǎng)籃狀，并可以觀察到β晶界，這些β晶界是熔焊后金屬從高溫冷卻過程中保留下來的。粗晶熱影響區(qū)金屬超過了合金的β轉(zhuǎn)變溫度，發(fā)生了完全β相變，在冷卻過程中，高溫β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料嗟倪^程來不及進(jìn)行，在亞穩(wěn)β晶粒內(nèi)析出質(zhì)點(diǎn)狀α相。因?yàn)殁伜辖鹑埸c(diǎn)高，導(dǎo)熱性差, 使得近縫區(qū)組織長時(shí)間處于過熱狀態(tài)，β晶粒嚴(yán)重長大。遠(yuǎn)離焊縫靠近母材的熱影響區(qū)組織，則形成了帶狀形貌的過渡區(qū)。

表1 化學(xué)成分%

圖1 TC17合金顯微組織Fig.1 Microstructure of TC17 alloy

圖2 氬弧焊接頭橫截面形貌Fig.2 Cross section morphology of TIG welded joint

電子束焊的接頭組織與氬弧焊的組織有明顯的區(qū)別，如圖3所示，焊縫區(qū)相比氬弧焊接頭較窄，焊縫組織具有從熔池兩側(cè)的母材向焊縫中央生長的形貌特征，焊縫區(qū)的金屬在冷卻過程中，晶粒依附附近加熱到半熔化狀態(tài)的基體金屬表面，以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長, 從而交互結(jié)晶。在β→α轉(zhuǎn)變區(qū)間，α相首先在β晶界上形核，并向晶內(nèi)生長，形成帶狀組織，且呈一定位相排列，而原始β晶界保留了下來。在焊縫與熱影響區(qū)之間沒有形成氬弧焊接頭組織中出現(xiàn)的粗晶區(qū)。

3 接頭拉伸試驗(yàn)

為了評(píng)定接頭的力學(xué)性能，對(duì)接頭拉伸性能進(jìn)行了測試，在Z100電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)，軸向加載，按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在室溫下進(jìn)行測試。TC17鈦合金母材及兩類焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，氬弧焊和電子束焊接頭的室溫抗拉強(qiáng)度（Rm）基本與母材等強(qiáng)，表明這兩種焊接工藝均沒有顯著改變材料的拉伸強(qiáng)度。氬弧焊接頭的相對(duì)延伸率（A）下降明顯，試驗(yàn)均值達(dá)到了母材的28.9%，電子束焊接頭的平均延伸率為10.4%，達(dá)到了母材的68.7%。根據(jù)焊接接頭微觀組織的分析可知，塑性降低主要是由于熱影響區(qū)及焊縫的組織變化所致。氬弧焊焊縫組織較電子束焊更為粗大，接頭不均勻性更為顯著，接頭塑性從而低于電子束焊。

4 斷口分析

圖3 電子束焊接頭橫截面形貌Fig.3 Cross section morphology of EBW welded joint

表2 TC17接頭拉伸性能

觀察拉斷試樣橫向截面顯微組織，氬弧焊試樣斷裂位置在粗晶熱影響區(qū)（見圖4），電子束焊試樣斷裂位置位于焊縫（見圖5）。對(duì)斷口進(jìn)行分析，氬弧焊拉伸斷口表面粗糙，高度差較大，如圖6所示，主要由沿晶和解理單元組成，明顯可見沿原始β相界斷裂，斷口中韌窩少且較淺，表現(xiàn)為脆性斷裂。

電子束焊斷口形貌與TIG焊斷口形貌有明顯的區(qū)別，沿原始β晶粒晶界斷裂的特征不及氬弧焊斷口明顯，焊縫中可見氣孔存在。如圖7所示，斷口顯示有明顯的撕裂棱，顯示接頭具有較好塑性。

氬弧焊與電子束焊均為熔焊，然而兩種工藝接頭微觀組織有較大差異，電子束焊的熱源密度高，焊接速度快，熱輸入量??；與之相比，氬弧焊時(shí)近縫區(qū)組織在高溫區(qū)停留時(shí)間較長，產(chǎn)生了粗晶熱影響區(qū)，塑性明顯降低，然而氬弧焊方法高效、低成本，焊接接頭也具有較好的拉伸強(qiáng)度，在工程中也具有較廣的應(yīng)用范圍。

圖4 氬弧焊拉伸試樣斷裂位置Fig.4 Fracture position of specimen with TIG welding

圖5 電子束焊試件斷裂位置Fig.5 Fracture position of specimen with EBW welding

圖6 氬弧焊拉伸試樣斷口形貌Fig.6 Fracture morphology of specimen with TIG welding

圖7 電子束焊試件斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of specimen with EBW welding

5 結(jié)論

（1）室溫下氬弧焊與電子束焊兩種工藝的接頭的抗拉強(qiáng)度基本與母材等強(qiáng)。

（2）TC17鈦合金氬弧焊接頭組織明顯地分為焊縫區(qū)、粗晶熱影響區(qū)、過渡區(qū)和母材區(qū)。電子束焊接頭相比氬弧焊接頭焊縫寬度較窄，且未出現(xiàn)粗晶熱影響區(qū)。

（3）氬弧焊相比電子束焊接頭的相對(duì)延伸率下降明顯，主要是熱影響區(qū)及焊縫的組織變化所致。氬弧焊焊縫組織較電子束焊更為粗大，導(dǎo)致接頭塑性低于電子束焊。

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