鈦合金的焊接軟化改進機制研究

畢研貞，王琦濤，劉榮偉，宋威振，雷貝貝

（長安大學，陜西 西安 710064）

鈦合金具有低密度，高強度比，極好的抗疲勞和抗腐蝕性能的特點，廣泛應用于航天、船舶、核能、汽車、化學工業(yè)等[1-3]。Ti17合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）是一種典型的α-β型鈦合金，具有豐富的β穩(wěn)定元素。Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246，國標稱為TC19）和Ti17鈦合金是制造航空發(fā)動機的葉片、外殼的主要材料[4]。

鈦合金焊接一直受到廣泛的關注。由于當溫度超過550℃，特別是熔化階段，鈦易與空氣的氧、氮、碳反應，引起脆化[5]，導致其焊接性差。氬弧焊是鈦合金最常用的焊接方法[6]。早期的研究已知，當Mo的含量超過10wt%（質(zhì)量分數(shù)）或更高，β相以馬氏體狀態(tài)存在于室溫[7-8]，出現(xiàn)軟化區(qū)。Tan L.J.等人[9]發(fā)現(xiàn)電子束焊接的不同接頭TC11和Ti-22Al-25Nb出現(xiàn)軟化區(qū)，由于在Ti-22Al-25Nb的熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化相B2.同時Wang S.Q.等人[10]證實在電子束焊接的不同接頭鈦合金Ti17和Ti-6Al-4V，因為在Ti17側的熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化和粗糙的β相，它的硬度低于母材。對于出現(xiàn)軟化區(qū)的鈦合金氬弧焊焊接接頭，疲勞破壞往往發(fā)生在軟化區(qū)，Wang S.Q.等人[10]證實疲勞破壞發(fā)生Ti17側的熱影響區(qū)。但目前的研究并沒有對軟化區(qū)提出改進措施。因此，利用另一種鈦合金Ti-6Al-4V（TC4）填充Ti17鈦合金和TC19鈦合金氬弧焊焊接接頭的軟化區(qū)，以改善焊接接頭的微觀結構和硬度值。研究了Ti-6Al-4V對接頭的硬度和微觀結構的影響。

1 材料和實驗過程

本實驗用的材料是200 mm×100 mm×5 mmTi17鈦合金板材、直徑為2 mm的Ti-6Al-4V鈦合金、直徑為5 mmTC19鈦合金棒材和TA9鈦合金棒材。其中Ti17和TC19鈦合金作為母材，TC4和TA9分別作為填充材料，其化學組成列于表1.

表1 鈦合金的化學組成（質(zhì)量分數(shù)）

所有的實驗均在室溫下進行。焊接之前需對材料進行機械和化學清洗，利用線切割機加工成所需尺寸，焊接之前尺寸100 mm×50 mm×5 mm，焊完之后200 mm×100 mm×5 mm，如圖1所示。氬弧焊焊接鈦合金采用弧電流100 A，焊接電壓380 V，采用對接接頭V型90°坡口，焊完之后尺寸為100 mm×120 mm×5 mm.

圖1 焊接的示意圖

焊接試樣如圖1和圖2所示。金相材料樣品沿垂直于焊接方向從焊接接頭用線切割機取樣，試樣尺寸40 mm×30 mm×5 mm，每組試樣共有三組，試樣利用金剛砂紙從粗到細進行打磨、金相實驗拋光機拋光，腐蝕采用 Kroll’s修正試劑（HF∶HN∶O=1∶2∶5）。微觀結構使用光學顯微鏡觀察。硬度測試利用硬度機測試，沿垂直于焊接方向的截面方向，間隔1 mm、100 g加載，持續(xù)15 s.

圖2 焊接拉伸試樣

2 結果分析

2.1 硬度結果和分析

如圖3所示，對于Ti17和TC19測試硬度為從中間開始，向右的區(qū)域，也就是D和A的區(qū)域，再加上母材的區(qū)域。在TC19和Ti17焊接加入TC4，測試微觀硬度是從中間開始，向左的區(qū)域，也就是C、E、B的區(qū)域，再加上母材的區(qū)域。而之前Ti17和TC19焊接加入TA9，測試微觀硬度是從中間開始，向左的區(qū)域，也就是C、E、B的區(qū)域，再加上母材的區(qū)域。與上面不同的是在E區(qū)，焊接的是TA9，三個微觀硬度圖均從中間開始，所以顯示剛開始的硬度最高。

圖3 微觀硬度測試圖

Ti17和TC19的焊接接頭從圖4中可以看出，在Ti17側的熱影響區(qū)在距離5～10 mm出現(xiàn)焊接軟化區(qū)（在熱影響區(qū)，該區(qū)域的硬度明顯低于母材定義為軟化區(qū)，），如果在TC19和Ti17焊接加入TC4，可以填充軟化區(qū)域，在此區(qū)域硬度有增加，而之前Ti17和TC19焊接加入TA9，不僅沒有提高硬度，使焊縫區(qū)的硬度降低。如圖4所示。

圖 4TC19-Ti17，TC19-TC4-Ti17，TC19-TA9-Ti17焊接接頭的硬度分布

2.2 微觀結構結果和分析

微觀結構圖是沿著圖3的C-E-B方向和D-A方向利用金相顯微鏡獲得。圖5顯示Ti17、Ti-6Al-4V的母材，圖6為 Ti17和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo焊接接頭的微觀結構。從圖5可以看出，Ti17的結構是極好的α片嵌入在β基體中（圖5a）。然而Ti-6Al-4V是典型的雙峰結構，由等軸α相和間粒狀α+β片晶組成（圖5b）。相應的氬弧焊焊后接頭的微觀結構接頭的變化示于圖4，熔融區(qū)是寬的，因為氬弧焊本身熱輸入較大。熱影響區(qū)的寬度大約為5 mm.

圖5 實驗所用的鈦合金的微觀結構

圖6Ti17與TC19利用氬弧焊焊接接頭的微觀結構。

圖6 b主要是由α″相和β相組成，因為其硬度低于針狀α′，尤其在焊接區(qū)形成的馬氏體（針狀）α′，從微觀結構看，軟化區(qū)的顏色明顯深于其他區(qū)域。同樣在硬度分布中，證實了此點。其硬度低于母材和焊縫的硬度。因此將該區(qū)定義為軟化區(qū)。由于TC4的加入，Ti17與TC19的焊接接頭的出現(xiàn)了改進區(qū)，從圖中可以看出明顯與其他地方不同。主要因為這塊區(qū)域是由針狀α′和α″構成。

3 結論

通過一系列的試驗和觀察，可以得到以下結論：

1）Ti17與TC19利用氬弧焊焊接在一起有明顯的軟化區(qū)域，由α″相和β相組成。

2）Ti17與TC19焊接加入TC4后在硬度上有明顯的改善，故在Ti17與TC19焊接時可以加入TC4，用以改善接頭的疲勞性能。

3）Ti17與TC19焊接加入TA9，不僅沒有改善軟化區(qū)的硬度，還降低了焊縫的硬度。

參考文獻：

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