TC4 鈦合金激光焊接接頭組織及耐蝕性研究*

李 鎮(zhèn)， 趙 偉， 于克東， 郭文姍， 王 佳

（1. 齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院） 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 濟(jì)南 250353；2. 山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院， 濟(jì)南 250031）

0 前 言

TC4 鈦合金是典型α+β 型鈦合金， 具有比強(qiáng)度高、 耐蝕性和生物相容性良好等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于航空、 海洋、 醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-3]。 隨著鈦合金的廣泛應(yīng)用， 對(duì)其焊接方法提出了更高的要求。相較于傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)， 激光焊接具有能量密度高、 熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)， 是鈦合金焊接最常用的焊接方式[4-5]。 目前大多數(shù)研究基于改變焊接參數(shù)來(lái)改善焊接接頭形態(tài)、 組織及性能。 焊縫形狀主要取決于熱輸入， 較低熱輸入產(chǎn)生V 形焊縫， 而較高熱輸入產(chǎn)生H 形焊縫。 然而， H 形焊縫呈現(xiàn)出比V 形焊縫更高的拉伸強(qiáng)度[6]。 焊接熱輸入的增大會(huì)促使焊縫針狀α′馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡lα′馬氏體， 導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度和延伸率下降[7]。

鈦及其合金暴露在空氣或電解質(zhì)中時(shí)， 由于其對(duì)氧具有很強(qiáng)的親和力， 表面會(huì)迅速形成一層致密的氧化層， 以保護(hù)內(nèi)部金屬免受進(jìn)一步腐蝕[8-10]。 得益于此， 鈦部件在人體環(huán)境、 海洋環(huán)境等腐蝕環(huán)境有巨大的應(yīng)用潛力[11]。 然而，激光焊接過程中引入大量非平衡轉(zhuǎn)變， 這將導(dǎo)致焊接接頭各個(gè)區(qū)域的組織及耐蝕性存在差異， 也將直接影響到鈦結(jié)構(gòu)件的壽命和安全性[12]。因此， 研究TC4 鈦合金激光焊焊接接頭各區(qū)域組織及耐蝕性具有重要意義。 本研究通過光纖激光器對(duì)4 mm TC4 板材進(jìn)行焊接， 分析了不同區(qū)域顯微組織、 顯微硬度及耐蝕性， 探究其組織對(duì)耐蝕性的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為60 mm × 50 mm ×4 mm 的TC4板材， 其化學(xué)成分見表1。 對(duì)試板進(jìn)行干燥、 打磨、 酸洗等處理， 去除表面氧化層， 保證表面干燥整潔。 采用IPG-YLS-10000 光纖激光系統(tǒng)對(duì)4 mm TC4 板材進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)， 工藝參數(shù)見表2。

表1 TC4 鈦合金的化學(xué)成分%

表2 TC4 鈦合金激光焊接參數(shù)

采用3D 超景深顯微鏡 （KEYENCE VHX-5000） 對(duì)焊接接頭不同區(qū)域進(jìn)行微觀組織觀察，金相腐蝕液為3%HF＋6%HNO3＋91%H2O 的Kroll試劑。 利用顯微硬度計(jì)在200 g、 保荷時(shí)間15 s的條件下進(jìn)行硬度測(cè)試， 每個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間間隔0.2 mm。

使用Gamary Interface 1000 電化學(xué)工作站在3.5%NaCl 溶液中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。 試驗(yàn)溫度為（25±1） ℃， 鉑片電極和飽和甘汞（SCE） 分別作為輔助電極和參比電極。 試驗(yàn)前將-1.2 V SCE陰極極化180 s， 以去除表面上的氧化膜。 開路電位 （OCP） 穩(wěn)定后， 在振幅為10 mV、 頻率范圍為105～10-2Hz 的正弦波作用下進(jìn)行交流阻抗譜（EIS） 測(cè)試。 動(dòng)電位極化曲線的掃描范圍為-0.5～2 V （相對(duì)于開路電位）， 掃描速率為0.5 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭宏觀形貌及顯微組織

焊接接頭宏觀形貌如圖1 所示， 焊接接頭為典型的T 形接頭， 熔透效果良好， 三個(gè)區(qū)域清晰可見。 焊縫區(qū)觀察到粗大的原β 柱狀晶沿溫度梯度方向生長(zhǎng)。 熱影響區(qū)為均勻排布的等軸晶結(jié)構(gòu)， 晶粒相對(duì)細(xì)小。 此外， 在焊縫區(qū)還觀察到少量氣孔， 氣孔形成的原因可能是焊接過程中較快的冷卻速度導(dǎo)致熔池中金屬蒸汽和焊接過程中混入的氣體來(lái)不及逸出[13]。

圖2 所示為焊接接頭各區(qū)域顯微組織， 從圖中可以觀察到母材組織為α 相+β 相的等軸結(jié)構(gòu)。 焊縫組織為粗大的柱狀晶及晶內(nèi)縱橫交錯(cuò)的馬氏體α′相。 焊縫在冷卻過程中， 原β 柱狀晶長(zhǎng)大的同時(shí)伴隨著晶內(nèi)馬氏體相變的發(fā)生。 焊接過程中， 焊縫溫度加熱到相變溫度以上， 在隨后的冷卻過程中， 由于較高的冷卻速度， β 相未及時(shí)通過擴(kuò)散型相變轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，而是通過切變相變發(fā)生晶格重構(gòu)形成馬氏體。熔合區(qū)為焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域， 在熔合區(qū)可以觀察到貫穿焊縫和熱影響區(qū)的柱狀晶，熔合線清晰可見。 熱影響區(qū)組織為等軸的原β晶， 晶內(nèi)為馬氏體α′相及少量原始α 相和原始β 相。 相較于焊縫， 熱影響區(qū)溫度更低， 且部分原始α 相未發(fā)生轉(zhuǎn)變， 馬氏體α′相尺寸更細(xì)小。

2.2 焊接接頭顯微硬度

焊接接頭顯微硬度如圖3 所示， 由圖3 可知， 焊接接頭的顯微硬度整體與焊縫宏觀形貌相匹配。 母材顯微硬度約為330.9HV0.2， 從母材到焊縫中心， 硬度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)， 焊縫中心顯微硬度約為母材的1.78 倍。 硬度升高歸因于組織發(fā)生了馬氏體相變， 越靠近焊縫中心馬氏體α′相數(shù)量越多， 馬氏體α′相中存在大量位錯(cuò)， 能夠起到位錯(cuò)強(qiáng)化作用， 導(dǎo)致硬度升高[14]。 焊縫中硬度也有變化趨勢(shì)， 從焊縫頂部到焊縫底部， 硬度不斷降低， 這是由于不同位置面臨著不同的焊接熱循環(huán)， 導(dǎo)致馬氏體α′相的形態(tài)、 大小、 數(shù)量存在差異。

2.3 電化學(xué)試驗(yàn)

圖4 所示為焊接接頭不同區(qū)域的開路電位圖， 隨著反應(yīng)的進(jìn)行， 所有區(qū)域的電位均不斷升高至趨于穩(wěn)定， 這是由于表面鈍化膜的生成。 穩(wěn)定后不同區(qū)域的開路電位值大小為焊縫＞熱影響區(qū)＞母材， 表明焊縫和母材分別具有最低和最高的腐蝕驅(qū)動(dòng)力。

圖5 為焊接接頭不同區(qū)域的Nyquist 圖， 各區(qū)域均為單個(gè)容抗弧。 焊縫的圓弧曲率半徑大于熱影響區(qū)和母材， 表現(xiàn)出最優(yōu)的耐蝕性。 采用Rs（QdlRct）的等效電路用于擬合結(jié)果， 其中Rs為溶液電阻， Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻， Qdl為常相位角元件（CPE）。 擬合結(jié)果見表3， 由表3 可知， 焊縫具有最大的Rct值， 分別約為母材和熱影響區(qū)的4.32 倍和2.58 倍， 表現(xiàn)出最優(yōu)耐蝕性。

表3 焊接接頭各區(qū)域交流阻抗譜擬合結(jié)果

焊接接頭不同區(qū)域在3.5%NaCl 溶液中的動(dòng)電位極化曲線如圖6 所示， 各個(gè)區(qū)域均存在鈍化現(xiàn)象， 鈍化區(qū)的特征為隨著電壓的升高， 電流密度受到抑制。 鈍化膜作為保護(hù)膜來(lái)抑制鈦合金在相應(yīng)電解液中的溶解， ip代表在合金表面上形成的膜的維鈍電流密度。 母材、 焊縫、熱影響區(qū)的ip分別為16.6 μA/cm2、 10.7 μA/cm2和12.8 μA/cm2， 通常較低的ip意味著合金容易鈍化， ip代表金屬溶解和腐蝕產(chǎn)物快速沉積的總電流密度[11]。 因此， 在相應(yīng)的溶液體系中， 低ip、易鈍化的區(qū)域通常表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性。

表4 為焊接接頭不同區(qū)域通過Tafel 外推法擬合出的自腐蝕電位和腐蝕電流密度。 自腐蝕電位與開路電位規(guī)律一致。 焊縫具有最小的腐蝕電流密度， 僅約為母材和熱影響區(qū)的1/10 和1/3，表現(xiàn)出最優(yōu)耐蝕性。

表4 焊接接頭各區(qū)域的自腐蝕電位和腐蝕電流密度

焊接接頭不同區(qū)域耐蝕性差異可歸因于兩個(gè)因素。 首先， 晶粒尺寸會(huì)影響耐蝕性， 有研究表明， 鈍化首先始于鈦的表面晶格缺陷， 晶粒尺寸較小的合金具有較高的晶界密度， 鈍化膜具有較高的成核位置密度， 這導(dǎo)致鈍化層比例較高， 腐蝕速率較低[15]。 此外， 雜質(zhì)在大尺寸晶粒合金中會(huì)發(fā)生晶界偏析， 從而導(dǎo)致晶間腐蝕。 晶界處的優(yōu)先腐蝕可能嚴(yán)重到足以使晶粒脫離表面， 從而顯著加快腐蝕速度。 相較于母材， 焊縫組織更為細(xì)小， 因此具有更好的耐蝕性。 由于相對(duì)較低的溫度， 熱影響區(qū)中馬氏體α′相尺寸小于焊縫。 然而電化學(xué)結(jié)果表明焊縫耐蝕性優(yōu)于熱影響區(qū)， 說明第二個(gè)因素占主導(dǎo)。 電偶腐蝕也是導(dǎo)致耐蝕性差異的重要原因。 母材組織為雙相結(jié)構(gòu)， 其中Al 為α 相穩(wěn)相元素， V 為β 相穩(wěn)相元素， 元素差異導(dǎo)致兩相之間存在電偶腐蝕， 因此表現(xiàn)出較差的耐蝕性[16]。 焊接過程中， 由于較高的溫度和較快的冷卻速度， 使得焊縫具有單一的組織特征， 不存在明顯的電偶腐蝕。 然而， 熱影響區(qū)保留了少數(shù)初生相， 這與后來(lái)生成的馬氏體α′相存在電偶腐蝕現(xiàn)象。 因此， 相對(duì)于焊縫， 熱影響區(qū)耐蝕性較差。

3 結(jié) 論

（1） TC4 鈦合金激光焊接焊縫截面形貌為T形形貌， 焊縫組織為晶界明顯的粗大原始β 柱狀晶， 晶內(nèi)為馬氏體α′相。 熱影響區(qū)組織為等軸的原β 晶， 晶內(nèi)為馬氏體α′相和少數(shù)殘余α 相。

（2） 由于馬氏體α′相的位錯(cuò)強(qiáng)化作用， 從母材到焊縫中心， 硬度呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)， 焊縫中心硬度約為母材的1.78 倍。 從焊縫頂部到焊縫底部， 硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

（3） 焊縫具有最優(yōu)耐蝕性。 焊接接頭不同區(qū)域耐蝕性差異歸因于晶粒尺寸和電偶腐蝕效應(yīng)。