Ti-Al-Fe低成本鈦合金TIG焊焊接組織和性能研究

田喜明，衛(wèi) 娜，周中波，張利軍，張晨輝

(1.海軍裝備部，陜西 西安 710021)(2.西安西工大超晶科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200)

鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐高溫以及良好的焊接性，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。但是與鋁、鎂等合金相比，較高的原材料成本和加工成本對鈦合金材料大范圍的推廣使用產(chǎn)生了不利的影響。因此，發(fā)展低成本鈦合金材料成為國內(nèi)外鈦工業(yè)領(lǐng)域研究的重要方向。低成本的實(shí)現(xiàn)一方面通過采用廉價元素降低原料成本，另一方面通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低加工成本[3，4]。

低成本鈦合金材料的研發(fā)有望進(jìn)一步擴(kuò)大鈦及鈦合金在化工、兵器、汽車、體育等領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。在低成本鈦合金材料的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，除了成本的控制和力學(xué)性能的提高，其焊接性能也是在推廣應(yīng)用過程中需要考慮的重要問題。低成本鈦合金材料與傳統(tǒng)鈦合金材料一樣化學(xué)性質(zhì)活潑，極易與空氣中的氧、氮、氫等元素發(fā)生反應(yīng)，形成內(nèi)部氣孔等焊接缺陷[6-9]，焊縫表面也極易發(fā)生氧化[10,11]。此外，低成本鈦合金導(dǎo)熱性相對較差，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，焊接試片易發(fā)生變形，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能不能滿足要求。

本文對Ti-Al-Fe低成本鈦合金的焊縫內(nèi)部質(zhì)量、焊接組織和性能進(jìn)行研究，并與TC4鈦合金的焊接性能進(jìn)行對比。以期初步掌握Ti-Al-Fe低成本鈦合金的焊接性能，加快該合金的推廣應(yīng)用步伐。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為采用鋁豆、TiFe70、海綿鈦等原材料通過2次真空自耗電弧熔煉制備而成的Ti-Al-Fe低成本鈦合金。為便于評價該合金的焊接性能，選擇常見的TC4鈦合金進(jìn)行對比。表1為Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金母材的化學(xué)成分。

表1 Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金母材化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical compositions of Ti-Al-Fe low cost alloy and TC4 titanium alloy base metal

焊接試片厚度為10 mm，開雙V型坡口，鈍邊為2 mm。焊絲與母材同牌號，規(guī)格為φ3.0 mm。焊接前對焊接試片和焊絲進(jìn)行表面清理，表面無氧化、夾雜、油污等，并對試片進(jìn)行150 ℃/30 min預(yù)熱。焊接試驗(yàn)采用鎢極氬弧焊(TIG焊)。焊接時先將焊接試片兩端進(jìn)行點(diǎn)焊定位后，再用夾具固定焊接試片的4個角以防止焊接后變形。通入氬氣后，依次進(jìn)行打底焊、雙面填充焊和蓋面焊，焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 TIG焊焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of TIG welding

采用XH2515型X射線探傷機(jī)對焊縫進(jìn)行缺陷檢測，觀察焊縫內(nèi)部質(zhì)量。垂直焊縫切取金相試樣，經(jīng)磨光、拋光、腐蝕(腐蝕劑采用體積比為1∶3∶6的HF、HNO3、H2O的混合液)后，用肉眼及OLYMPUS GX41光學(xué)顯微鏡分別觀察焊縫區(qū)域的宏觀組織和顯微組織。根據(jù)GB/T 2649《焊接接頭性能試驗(yàn)取樣方法》垂直焊縫切取拉伸試樣，然后按照GB/T 2651《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊縫拉伸性能測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面和內(nèi)部質(zhì)量

圖1為Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金焊接后的焊縫形貌。從圖1可以看出，焊縫表面顏色均為銀白色，焊縫形狀為分布整齊的魚鱗紋狀，寬度約為15 mm。X射線檢測結(jié)果顯示，焊縫內(nèi)部融合完全，且無氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，如圖2所示。這表明Ti-Al-Fe低成本鈦合金與TC4鈦合金的可焊性相當(dāng)，具有良好的可焊性能。

圖1 焊接試樣的焊縫形貌Fig.1 Weld morphologies of welding specimens：(a)Ti-Al-Fe low cost titanium alloy； (b)TC4 titanium alloy

圖2 焊縫X射線檢測結(jié)果Fig.2 X-ray test results of weld seam：(a)Ti-Al-Fe low cost titanium alloy； (b)TC4 titanium alloy

2.2 焊接組織

圖3為Ti-Al-Fe低成本鈦合金及TC4合金焊接接頭的宏觀組織。從圖3可以看出，焊接接頭分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)。焊縫區(qū)域組織均由柱狀晶組織(如圖中方框所示)和少量的等軸晶(如圖中橢圓所示)組成。柱狀晶組織是由于焊縫金屬在凝固過程中沿溫度梯度方向垂直于熔合線向焊縫中心生長形成的。等軸晶是由于多層焊接時，后一層焊縫對前一層焊縫進(jìn)行加熱，發(fā)生相變再結(jié)晶，從而使內(nèi)部柱狀晶消失，形成細(xì)小等軸晶。從圖3還可以看出，Ti-Al-Fe低成本鈦合金柱狀晶組織比TC4鈦合金的組織細(xì)小。熱影響區(qū)中等軸晶的形成是受焊接過程加熱和冷卻的循環(huán)作用，加熱達(dá)到相變點(diǎn)以上時晶粒長大，冷卻過程中由于向四周的散熱條件一致，最終形成等軸晶。

圖3 焊接接頭宏觀形貌Fig.3 Macrostructures of welded joints：(a)Ti-Al-Fe low cost titanium alloy； (b)TC4 titanium alloy

圖4為Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金焊縫區(qū)微觀組織照片。從圖4可以看出，焊縫區(qū)域晶粒尺寸粗大，可以觀察到明顯的晶界。Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金焊縫區(qū)域的組織均是由大量的針狀次生α相和少量的初生長條狀α相組成，TC4鈦合金針狀次生α相比Ti-Al-Fe低成本鈦合金細(xì)且密。

圖4 焊縫區(qū)微觀組織Fig.4 Microstructures of weld zone：(a,b)Ti-Al-Fe low cost titanium alloy； (c,d)TC4 titanium alloy

圖5為Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金熱影響區(qū)及基體微觀組織。從圖5可以看出，二者基體組織均由初生α相、次生α相及殘余β相組成的。焊接熱影響區(qū)組織由大量初生α相和少量針狀次生α相及殘余β相組成，這是由于熱影響區(qū)溫度較低，相變未能完全進(jìn)行，有大量的初生α相保留下來，在冷卻過程中，從β相中開始分解出少量的針狀次生α相。

圖5 熱影響區(qū)和基體微觀組織Fig.5 Microstructures of HAZ and base metal：(a,b)Ti-Al-Fe low cost titanium alloy； (c,d)TC4 titanium alloy

2.3 拉伸力學(xué)性能

表3為Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金焊接接頭的室溫拉伸性能測試結(jié)果。Ti-Al-Fe低成本鈦合金焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為1 204 MPa，TC4鈦合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為1 093 MPa，說明采用相同的焊接方法和焊接工藝，Ti-Al-Fe低成本鈦合金焊接接頭的強(qiáng)度比TC4鈦合金高111 MPa。這是由于Ti-Al-Fe合金焊接區(qū)域的組織較細(xì)小，晶界強(qiáng)化作用所致。圖6是焊接接頭拉伸試樣斷裂后的照片。可以看出，Ti-Al-Fe低成本鈦合金和TC4鈦合金試樣拉伸后均在母材區(qū)域斷裂，表明焊縫強(qiáng)度高于母材。

表3 焊接接頭拉伸性能Table 3 Tensile mechanical properties of welded joints

圖6 焊接接頭拉伸試樣斷裂后的照片F(xiàn)ig.6 Photo of tensile specimens of welded joints after fracture

3 結(jié) 論

(1)采用TIG雙面焊得到的Ti-Al-Fe低成本鈦合金焊縫表面顏色為銀白色，焊縫形狀為分布整齊的魚鱗紋狀，焊縫內(nèi)部融合完全，且無氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷，可焊性好。

(2)Ti-Al-Fe低成本鈦合金焊縫區(qū)域低倍組織是由柱狀晶組織和少量的等軸晶組成，其柱狀晶組織要比TC4鈦合金的細(xì)小，焊縫區(qū)域微觀組織是由大量的針狀次生α相和少量的初生長條狀α相組成。

(3)Ti-Al-Fe低成本鈦合金拉伸斷裂在母材位置，焊縫強(qiáng)度高于母材。Ti-Al-Fe低成本鈦合金焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為1 204 MPa，與采用相同的焊接方法和焊接工藝的TC4鈦合金相比，抗拉強(qiáng)度高111 MPa。