TNW700鈦合金薄板TIG焊接頭組織及性能

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 沈陽(yáng) 110034; 2.北京航空制造工程研究所,北京 100024; 3.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室, 北京 100024; 4.數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 100024)

TNW700鈦合金薄板TIG焊接頭組織及性能

王暢1張濤2,3,4付明杰2,3,4蔡恒鑫1

(1.沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 沈陽(yáng) 110034; 2.北京航空制造工程研究所,北京 100024; 3.塑性成形技術(shù)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室, 北京 100024; 4.數(shù)字化塑性成形技術(shù)及裝備北京重點(diǎn)試驗(yàn)室,北京 100024)

通過(guò)對(duì)0.8 mm厚的TNW700鈦合金薄板進(jìn)行對(duì)接氬弧焊(TIG)，研究了焊縫接頭的焊縫和熱影響區(qū)組織及接頭力學(xué)性能及硬度分布。結(jié)果表明，采用TIG焊的TNW700薄板可獲得性能良好的焊接接頭，焊縫組織主要由針狀馬氏體α′相組成，熱影響區(qū)主要由α相及少量β相組成，組織存在不均勻性；焊縫的強(qiáng)度高于母材約15%、斷后伸長(zhǎng)率約為母材的54%；焊縫的硬度分布規(guī)律為：熱影響區(qū)>焊縫中心>母材，熱影響區(qū)存在較明顯的硬化傾向。

TNW700氬弧焊顯微組織力學(xué)性能硬度分布

0 序 言

高溫鈦合金以其高溫力學(xué)性能優(yōu)良而成為業(yè)內(nèi)學(xué)者研究的一個(gè)重要方向，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外先后研制出IM834,Ti1100,BT36及Ti60,TNW700等多種牌號(hào)的高溫鈦合金[1-5]。其中，英國(guó)研制的IM834高溫鈦合金已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)Trent700 和EJ200的壓力機(jī)轉(zhuǎn)子[6-9]，美國(guó)的Ti-1100 合金用于制造某型號(hào)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)輪盤(pán)和低壓渦輪葉片。文獻(xiàn)[10-12]也提及了Ti6242S，Ti1100在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)盤(pán)、高壓葉片的少量應(yīng)用記載。而國(guó)內(nèi)研制的Ti55，Ti60等高溫鈦合金目前僅在壓氣機(jī)整體葉盤(pán)進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)摸索，尚未批量應(yīng)用。高溫鈦合金較傳統(tǒng)中低溫使用的鈦合金應(yīng)用較少的重要原因是由于某些高溫鈦合金的高溫塑性、焊接、界面擴(kuò)散性能較差，其成形、焊接工藝窗口窄。通過(guò)常規(guī)的成形、焊接的工藝無(wú)法或不易將某些本身具有優(yōu)良性能的高溫鈦合金制造成工程中實(shí)際應(yīng)用的的零部件。因此，成形、焊接等工藝性能是考量材料實(shí)際可應(yīng)用方面的重要因素。TNW700系近年由中科院金屬研究所與寶鈦集團(tuán)有限公司聯(lián)合研制出的一種近α態(tài)Ti-Al-Zr-Sn-Nb-W系多元強(qiáng)化型高溫鈦合金，其高溫抗蠕變強(qiáng)度及高溫抗氧化性能優(yōu)良，成形性能較其他高溫鈦合金優(yōu)異[13-15]。但其焊接性能尚不可知，目前未見(jiàn)關(guān)于該合金焊接組織及性能方面的相關(guān)報(bào)道。

文中采用惰性氣體氬弧焊(Tungsten Inert Gas Arc Welding) 對(duì)TNW700薄板進(jìn)行焊接，通過(guò)對(duì)焊接式樣的拉伸性能測(cè)試及微觀組織分析，研究了該合金的接頭成形、焊縫組織、接頭力學(xué)性能、斷口形貌及顯微硬度。分析了TNW700薄板的焊接工藝性能，為其工程應(yīng)用提供參考及借鑒。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用TNW700鈦合金薄板為中國(guó)科學(xué)院金屬研究所提供，厚度0.8 mm,顯微組織如圖1所示。采用3次真空自耗電爐熔煉，經(jīng)過(guò)固溶及時(shí)效處理。該合金的顯微組織以α態(tài)為主，在Al等α穩(wěn)定元素的基礎(chǔ)上加入少量的Nb及W，通過(guò)這兩種同晶型高熔點(diǎn)β穩(wěn)定元素的作用，形成高熔點(diǎn)化合物，以此提高合金的高溫抗氧化性能和蠕變性能。同時(shí)利用中性元素Zr和Sn，在不影響合金熱穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的基礎(chǔ)上，使其保持一定的工藝性能，以利于工程應(yīng)用。TNW700鈦合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

圖1 TNW700薄板顯微組織

AlSnZrWNbSiFeCNHOTi5.863.405.561.601.150.190.0360.100.040.0060.091余量

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前將厚度為0.8 mm的TNW700板材加工成150 mm×200 mm的矩形，端面打磨光滑后用體積分?jǐn)?shù)為10∶1的HNO3(濃度65%)+HF(濃度40%)的混合溶液進(jìn)行酸洗。采用HL1500型自動(dòng)氬弧焊機(jī)對(duì)試片進(jìn)行對(duì)接氬弧焊。焊接電壓5.0～6.0 V，焊接電流32 A，焊接速度200 mm/min。對(duì)焊試片背面施以氬氣保護(hù)，氬氣流量5 L/min。焊接后對(duì)試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度檢驗(yàn)，拉伸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》。

由于焊接試件的焊縫強(qiáng)度未知，無(wú)法判斷拉伸試樣的斷裂位置，因此，將焊后試樣切割成圖2中a，b兩種形狀，a的形狀為常規(guī)的拉伸試樣，如果焊縫強(qiáng)度低于母材，試樣將斷裂在焊縫位置，可以得出焊縫強(qiáng)度；但焊縫強(qiáng)度高于母材，則會(huì)斷裂在母材一側(cè)，得出母材強(qiáng)度。b試樣的焊縫寬度小于母材寬度，因此試件最后易斷裂在焊縫位置，得到焊縫的強(qiáng)度值。拉伸試樣每種各3件。將焊縫余高打磨，使焊縫厚度與基體相同。采用Z100電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；4XA型臺(tái)式光學(xué)顯微鏡觀測(cè)焊縫剖面顯微組織，HXD-1000TMC/LCD數(shù)字式顯微硬度計(jì)測(cè)試焊縫硬度。

圖2 兩種形狀的焊接接頭試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭顯微組織

TNW700試樣的焊縫剖面低倍形貌如圖3所示，焊縫整體呈現(xiàn)現(xiàn)明顯的晶粒粗大的現(xiàn)象。從剖光后的接頭端面可以看出：焊后的板材連接良好，經(jīng)X光檢驗(yàn)也未見(jiàn)夾渣、氣孔等內(nèi)部缺陷。從試樣剖面觀察：其變化過(guò)程從母材→熱影響區(qū)→焊縫中心，材料由原始細(xì)小晶粒的α態(tài)組織逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮尼槧铖R氏體組織。而且越到焊縫中心，粗大的馬氏體組織越加明顯。焊縫中心及熱影響區(qū)的高倍顯微組織如圖4a，焊縫中心為針狀馬氏體組成的網(wǎng)籃組織，可以看到β柱狀晶邊界，在焊后自β相區(qū)在快冷過(guò)程中來(lái)不及轉(zhuǎn)變成α相，而是通過(guò)β相中原子集體有規(guī)律的遷移實(shí)現(xiàn)切向相變，形成針狀馬氏體α′相。熱影響區(qū)主要由α相及少量β相組成，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的加熱溫度低，大都在β轉(zhuǎn)變溫度之下，β相并未發(fā)生轉(zhuǎn)變。受焊縫熔合區(qū)及母材傳熱的影響，焊接過(guò)程中熱影響區(qū)兩側(cè)存在明顯的溫度梯度，這使得合金中各元素的擴(kuò)散速率不同，因此熱影響區(qū)組織分布不均勻(圖4b)。

圖3 焊縫剖面低倍形貌

圖4 焊接接頭的顯微組織

2.2 接頭力學(xué)性能

焊后a、b試樣的室溫拉伸性能見(jiàn)表2，從斷裂位置來(lái)看，a兩種試樣3件中有2件在母材處斷裂，有1件在焊縫處斷裂，b試樣有1件在母材處斷裂，2件在焊縫處斷裂；從抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的結(jié)果上看，焊縫的抗拉強(qiáng)度比母材平均高出約136 MPa，高出母材12.7%；屈服強(qiáng)度較母材提高了約6%。焊縫的斷后伸長(zhǎng)率低于母材，約為母材的54%。這主要?dú)w因于熔池在快速冷卻過(guò)程中生成了大量的針狀馬氏體，密集的界面組織對(duì)焊縫起到了強(qiáng)化效果。但強(qiáng)度提高的同時(shí)卻損失了一部分塑性。這與鋁合金及其它牌號(hào)的鈦合金焊接后力學(xué)性能規(guī)律相似，即焊后的焊縫部位強(qiáng)度提高、塑性降低[16-17]。斷裂部位的不同是因?yàn)閍試樣在靜態(tài)拉伸載荷的作用下，強(qiáng)度較高的焊縫不易變形，而強(qiáng)度低的母材發(fā)生塑性形變，隨著載荷的增加，母材產(chǎn)生縮頸直至斷裂。b試樣由于焊縫截面最小，總的抗拉強(qiáng)度小于兩側(cè)的母材，因而最終在焊縫處斷裂。

表2 焊接試樣的室溫拉伸性能

2.3 焊縫斷口形貌

試樣1，2，4號(hào)在焊縫處的斷口形貌如圖5所示，其斷口呈現(xiàn)解理脆性斷裂特征(圖5a)，可以初步判斷其斷裂形式傾向于脆性斷裂；從更大的倍率觀察斷口，斷口分布有細(xì)小的韌窩，但韌窩并無(wú)明顯的拉長(zhǎng)特征(圖5b)，同時(shí)鑒于試樣斷后伸長(zhǎng)率均小于5%，可以判斷焊接接頭的斷裂形式為解理非延性斷裂，接頭呈現(xiàn)強(qiáng)度高但塑性差的特點(diǎn)。

2.4 接頭顯微硬度分布

TNW700板材試樣焊接接頭的顯微硬度分布如圖5所示，焊縫硬度曲線從母材→熱影響區(qū)→焊縫→熱影響區(qū)→母材呈低→高→低→高→低雙峰形態(tài)分布。焊縫的中心硬度高于母材，低于兩側(cè)的熱影響區(qū)。母材的硬度均值為383 HV，焊縫硬度的均值為396 HV,而熱影響區(qū)的均值為409 HV。由于在焊接過(guò)程中，熔融的液態(tài)組織經(jīng)過(guò)保護(hù)氣體的作用，冷卻速度較快，熔池中心及熔池邊界存在較大的溫度梯度；熔池中心液態(tài)金屬結(jié)晶成硬度較高的馬氏體。熱影響區(qū)雖然加熱溫度低于熔池中心，卻明顯高于母材。在焊接過(guò)程中由于快速過(guò)冷組織呈現(xiàn)淬化現(xiàn)象。焊縫硬度小于熱影響區(qū)的原因可能是母材中的各個(gè)組元并未很好的融和，存在均勻未混合區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]，高鋁含量的鈦合金快冷過(guò)程中易析出Ti-Al相組織；另外，由于合金中的W元素在迅速降低的溫度梯度下擴(kuò)散速率急劇降低，在靠近母材的熱影響區(qū)形成富集。這兩種情況均能引起組織顯微硬度的明顯提高。

圖5 焊縫斷口形貌

圖6 焊接接頭的顯微硬度分布

3 結(jié) 論

(1)TNW700鈦合金薄板的TIG焊接工藝性較好，焊接試樣呈現(xiàn)良好的力學(xué)性能。焊縫的抗拉強(qiáng)度高出母材12.7%，屈服強(qiáng)度高出母材6%。斷后伸長(zhǎng)率約為母材的54%。焊縫的斷口形貌呈現(xiàn)解理性非延性斷裂形式。

(2)TNW700的焊縫組織呈現(xiàn)晶粒粗大的特征，焊縫中心為針狀馬氏體α′相組成的網(wǎng)籃組織，熱影響區(qū)主要由α相及少量β相組成，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的加熱溫度低。同時(shí)，溫度較低也造成了在不同位置合金中的多種元素?cái)U(kuò)散速率存在差異，因此熱影響區(qū)的組織不均勻。

(3)氬弧焊焊縫硬度分步規(guī)律為：熱影響區(qū)>焊縫>母材，硬度分布的結(jié)果表明：在快速冷卻的情況下，焊縫及其周?chē)M織呈現(xiàn)淬化現(xiàn)象，硬度均在母材的基礎(chǔ)上明顯升高，并且，熱影響區(qū)的硬化傾向高于焊縫中心。

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TG444.74

2017-05-31

王 暢，1975年出生，大學(xué)本科，工程師。主要從事航電專業(yè)工作。