TC4鈦合金電子束焊接接頭低周疲勞性能研究

劉曉華， 馬英杰， 李晉煒， 張 韌， 雷家峰， 劉羽寅

(1.中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司 設(shè)計研發(fā)中心，上海200232;2. 中國科學(xué)院金屬研究所 沈陽110016;3.中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京100024)

航空構(gòu)件的研制和生產(chǎn)中，焊接技術(shù)已成為主導(dǎo)工藝之一。電子束焊接(Electron Beam Welding，EBW)因其在工業(yè)生產(chǎn)中具有較高的焊接效率及焊接質(zhì)量，其應(yīng)用范圍得到不斷擴(kuò)大。鈦合金作為航空應(yīng)用較為廣泛的材料，其電子束焊接性能得到人們廣泛的重視，并開展了大量了研究工作［1～10］。對鈦合金電子束焊接接頭顯微組織特征研究顯示，由于電子束焊接過程中鈦合金存在相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了焊接接頭母材區(qū)(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)及焊縫熔合區(qū)(FZ)顯微組織存在明顯差異［3～7］。由于材料疲勞性能受局部組織特征的影響較大，因此顯微組織不均勻性對電子束焊接接頭疲勞性能具有重要的影響［5，7，8］。并且焊接接頭顯微組織差異也嚴(yán)重影響了焊接構(gòu)件的整體性能。

本工作所研究的TC4 電子束焊接接頭規(guī)格較大，其熔深達(dá)到50mm，而目前國內(nèi)針對大尺寸焊接接頭低周疲勞性能的研究較少。本工作針對焊接接頭顯微組織不均勻性，研究對比了焊接接頭不同位置的低周疲勞性能。對比分析了焊接接頭上部、下部及母材區(qū)在單個疲勞周期內(nèi)載荷-應(yīng)變曲線，利用掃描電鏡觀察了疲勞裂紋萌生行為及裂紋萌生擴(kuò)展斷口，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終討論了焊縫顯微組織對低周疲勞性能的影響。本工作結(jié)果為研究大規(guī)格TC4鈦合金電子束焊接構(gòu)件的整體性能提供了借鑒與參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本工作研究對象為采用電子束焊接工藝的50mm 厚度TC4 鈦合金試板，TC4 合金名義成分為Ti-6Al-4V。TC4 合金試板焊前及焊后熱處理均在真空爐內(nèi)完成，其中焊前熱處理規(guī)范為:960℃保溫1.5 h后隨爐冷卻，焊后熱處理為:600℃保溫4 h 后隨爐冷卻。圖1 為TC4 合金試板焊后沿熔深方向上的整體形貌，圖2 為試板母材區(qū)及焊接接頭熔合區(qū)顯微組織形貌。由圖1 及圖2 可以看出，焊縫沿熔深方向上尺寸不同，呈上寬下窄形式，試板母材區(qū)為細(xì)小的等軸組織，而熔合區(qū)為具有粗大原始β 晶粒的片層組織。

圖1 TC4 鈦合金試板電子束焊接接頭宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of electron beam welded TC4 titanium alloy

圖2 TC4 鈦合金試板母材區(qū)(a)及熔合區(qū)顯微組織形貌(b)Fig.2 Microstructures of electron beam welded TC4 alloy (a)equiaxed microstruture in BM;(b)coarse β grain in FZ

分別在母材區(qū)及焊接接頭進(jìn)行取樣測試低周疲勞性能，圖3 為低周疲勞試樣尺寸示意圖。在焊接接頭部位取樣時，沿熔深方向?qū)⒑赴迤骄譃樯?、下兩層，試樣軸向加載方向與焊縫垂直，且焊縫處于試樣平行段的中心位置。低周疲勞度驗(yàn)在MTS810 疲勞機(jī)上進(jìn)行，采用應(yīng)變控制方法對低周疲勞性能進(jìn)行測試，試樣平行段的應(yīng)變采用引伸計測量，采集單一循環(huán)的載荷-應(yīng)變曲線，并繪制應(yīng)變-壽命(Δεt/2-2Nf)曲線。測試過程中加載應(yīng)力比R = －1，波形為正弦波，加載頻率根據(jù)總應(yīng)變進(jìn)行調(diào)整。低周疲勞試驗(yàn)完成后，在掃描電鏡下觀察疲勞斷口形貌及試樣平行段表面裂紋萌生情況。此外還對焊接試樣及母材區(qū)試樣拉伸強(qiáng)度進(jìn)行了測試，拉伸試驗(yàn)屈服點(diǎn)前后均采用位移控制。

圖3 低周疲勞試樣尺寸示意圖Fig.3 Specimen for LCF test，dimensions in millimeters (mm)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖4 為測試并擬合得到的TC4 鈦合金試板母材及電子束焊接接頭低周疲勞應(yīng)變-壽命(Δεt/2-2Nf)曲線?？梢钥闯觯?dāng)疲勞應(yīng)變幅Δεt/2 小于0.6%時，母材與焊接接頭的疲勞壽命Nf基本上是相同的;當(dāng)疲勞應(yīng)變幅Δεt/2 大于0.6%時，隨著塑性變形應(yīng)變幅的增大，不同位置試樣的疲勞壽命差異逐漸明顯，其中母材區(qū)的Nf最高，而焊板上層Nf最低。圖5 為母材及焊接接頭低周疲勞失效后的斷裂位置，母材區(qū)試樣斷裂位置位于試樣平行段的中心，而焊接試樣斷裂均發(fā)生在平行段母材區(qū)。

圖4 TC4試板木材及電子束焊接接頭低調(diào)疲勞（△εt/2）-2Nt曲線Fig.4 The LCF △εt/2-2Nt curves of BM，upper FZ and lower FZ in EBW TC4 joint

圖5 TC4焊板不同位置低周疲勞試樣宏觀失笑斷裂方式（△εt/2=1.6%）：（a）木材區(qū)；（b）上層焊板；（c）下層焊板Fig.5 Macro fracture styles of LCF spectimen from welded TC4 plate under △εt/2=1.6%：（a）BM；（b）upper FZ；（c）lower FZ；

相同的應(yīng)變控制條件下，母材區(qū)及焊接接頭低周疲勞壽命及斷裂方式的差異體現(xiàn)了焊接接頭顯微組織不均勻所導(dǎo)致的力學(xué)性能差異。為進(jìn)一步明確原因，對不同區(qū)域處的載荷-應(yīng)變(loadstrain)遲滯回線進(jìn)行了對比分析。圖6 為母材與焊接接頭區(qū)域在Δεt/2 =1.6%時的載荷-應(yīng)變遲滯回線，相同應(yīng)變條件下焊接接頭區(qū)試樣所承受的最高載荷高于母材區(qū)試樣，這與焊縫區(qū)及母材區(qū)顯微組織之間的差異有關(guān)。母材區(qū)因具有細(xì)小的等軸組織(圖2a)其塑性變形能力較好，而焊縫區(qū)為具有粗大原始β 晶粒的片層組織(圖2b)其塑性變形能力較差，相同應(yīng)變條件下塑性流變較差的焊接試樣所承受的外力將高于塑性流變較好的母材區(qū)試樣，最終導(dǎo)致焊接試樣在高塑性變形區(qū)域內(nèi)具有較低的疲勞壽命。

圖6 TC4 合金母材區(qū)及焊接接頭低周疲勞載荷-應(yīng)變遲滯回線(Δεt/2 =1.6%)Fig.6 The LCF load-strain loop of TC4 BM and welded joints under Δεt/2 =1.6%

焊接試樣最終斷裂發(fā)生在平行段母材處，與母材區(qū)及焊接接頭區(qū)之間的強(qiáng)度差異及抗塑性變形能力有關(guān)。對電子束焊接后的試樣進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)時，斷裂位置發(fā)生在母材區(qū)，抗拉強(qiáng)度為840MPa，與母材區(qū)試樣抗拉強(qiáng)度(835MPa)基本相同。電子束焊接試樣拉伸試驗(yàn)斷裂發(fā)生在母材區(qū)說明焊接接頭區(qū)域強(qiáng)度高于母材區(qū)。此外，由于材料的顯微硬度反映了材料抵抗塑性變形或破壞的能力，本工作對電子束焊接接頭母材區(qū)、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)的維氏硬度進(jìn)行了測試對比，如圖7 所示?？梢钥闯霰緦?shí)驗(yàn)條件下FZ 區(qū)顯微硬度最高，HAZ 區(qū)次之，BM 區(qū)顯微硬度最低，這說明焊接接頭區(qū)抗塑性變形的能力高于母材，因此在以塑性變形主導(dǎo)的低周疲勞條件下，焊接接頭區(qū)域不易發(fā)生破壞。

圖7 TC4鈦合金電子束焊接接頭木材區(qū)、熱影響區(qū)及焊接縫區(qū)顯微硬度Fig.7 The microhardness of BM,HAZ and FZ in TC4 welded joint under load of 200g

圖8 TC4鈦合金焊板上層試樣焊縫表面的SEM形貌（△εt/2=1.6%）Fig.8 Surface morphography of LCF spectimen at TC4 upper FZ under △εt/2=1.6%

圖8 為采用SEM 觀察到的厚板焊板上層試樣在Δεt/2=1.6%條件下斷裂失效后焊縫位置表面形貌。圖8 顯示，雖然試樣最終斷裂未發(fā)生在焊縫區(qū)，但焊縫位置卻存在大量的表面開裂及塑性滑移，且滑移大致與載荷呈現(xiàn)45°的方向。然而圖8 中萌生的表面裂紋并未導(dǎo)致最終斷裂，這是由于焊縫區(qū)粗大的原始β晶粒能夠有效阻礙進(jìn)一步裂紋擴(kuò)展。

利用SEM 對低周疲勞試樣的斷口進(jìn)行了觀察，由于最終斷裂均發(fā)生在母材區(qū)，因此相同應(yīng)變條件下不同位置試樣的疲勞斷口形貌特征相同。圖9 展示了Δεt/2 =1.6%時疲勞裂紋萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)及最終斷裂區(qū)斷口形貌。疲勞裂紋在試樣表面附近萌生后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)存在大量的小平面，且小平面的尺寸與等軸α 相尺寸較為一致，這是由于裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)的等軸α 相產(chǎn)生一定方向的塑性滑移，而后沿滑移方向發(fā)生解理斷裂，最終形成了與等軸α 相尺寸接近的小平面。最終斷裂區(qū)存在明顯的韌窩，表現(xiàn)為明 顯的韌性斷裂特征。

圖9 TC4 合金焊接接頭區(qū)試樣低周疲勞斷口形貌(Δεt/2 =1.6%):(a)萌生區(qū);(b)擴(kuò)展區(qū);(c)最終斷裂區(qū)Fig.9 The fractographies of LCF speciman at welded joint under Δεt/2 =1.6%:(a)crack initiating site;(b)crack propagating zone;(c)final fracture zone

3 結(jié)論

(1)焊接接頭熔合區(qū)因具有粗大原始β 晶粒，其塑性流變較差，當(dāng)應(yīng)變幅Δεt/2大于0.6%時，焊接接頭區(qū)試樣承受的最高載荷高于母材區(qū)試樣，導(dǎo)致焊接試樣具有較低的低周疲勞壽命，應(yīng)變幅Δεt/2 低于0.6%條件下，母材與焊接接頭低周疲勞壽命相當(dāng)。

(2)焊接接頭區(qū)強(qiáng)度及抗塑性變形能力均高于母材區(qū)，導(dǎo)致了焊接試樣低周疲勞最終斷裂發(fā)生在母材區(qū)，并且焊接接頭熔合區(qū)內(nèi)粗大的原始β 晶粒能夠有效阻礙裂紋擴(kuò)展，進(jìn)一步促使了母材區(qū)的最終失效。

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