熱等靜壓TC4鈦合金電子束焊接接頭組織與性能

(1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094； 2.北京市航天器焊接技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

熱等靜壓TC4鈦合金電子束焊接接頭組織與性能

葛一凡1，2郎利輝3黃寧1，2劉鑫1，2章朋田1，2

(1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094； 2.北京市航天器焊接技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

熱等靜壓技術(shù)很好地解決了復(fù)雜薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)問題，但是該技術(shù)不適合生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)件。電子束焊接由于其本身特點(diǎn)，成為解決熱等靜壓技術(shù)不適合生產(chǎn)大型構(gòu)件局限性的理想選擇。通過電子束焊接方法對(duì)5 mm厚熱等靜壓成形TC4材料進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫的組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究。通過觀察焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的組織分布，結(jié)合焊縫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。由分析結(jié)果可知，熱等靜壓成形TC4鈦合金電子束焊接接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)產(chǎn)生了α′馬氏體相，對(duì)焊縫區(qū)及熱影響區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)化作用，導(dǎo)致焊接接頭的硬度和強(qiáng)度均強(qiáng)于母材。

鈦合金電子束焊接熱等靜壓組織性能

0 序 言

鈦及鈦合金熔點(diǎn)高(鈦的熔點(diǎn)為1 720 ℃)，比強(qiáng)度高，抗疲勞、抗腐蝕性能優(yōu)異，密度為4.5 g/cm3，約為鋼材的一半，其抗拉強(qiáng)度約為900 MPa?，F(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，主要用于制造壓氣機(jī)部件，如鈦壓氣機(jī)盤和葉片、鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、軸承殼體，航天器的各種壓力容器、燃料貯箱、構(gòu)架和火箭殼體[1-2]。但是鈦合金機(jī)械加工比較困難，對(duì)于薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)械加工就更加困難。

熱等靜壓技術(shù)特別適合生產(chǎn)薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，能很好的解決薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)鈦合金機(jī)械加工困難的問題。該項(xiàng)技術(shù)是對(duì)包套施加溫度和壓力，使包套中物料產(chǎn)生擴(kuò)散連接或致密化的制造工藝[3]，能較好的解決鑄件中工藝縮孔、疏松、成分宏觀偏析等鑄造缺陷以及鍛件加工周期長(zhǎng)，材料利用率低的問題。但是熱等靜壓技術(shù)受制于成本和設(shè)備能力，不太適合生產(chǎn)超大型結(jié)構(gòu)[4-6]。對(duì)于超大型構(gòu)件，需要在熱等靜壓生產(chǎn)出零件后，通過焊接技術(shù)將各零件連接在一起。

電子束焊接技術(shù)由于其焊接功率密度高、焊接工藝穩(wěn)定且在真空環(huán)境下進(jìn)行，可獲得大熔深、小變形、高精度和質(zhì)量良好的焊接接頭[7-8]，特別適合焊接鈦合金，成為熱等靜壓成形鈦合金構(gòu)件焊接及解決熱等靜壓技術(shù)不適合生產(chǎn)超大型構(gòu)件局限性的理想選擇。目前有關(guān)熱等靜壓鈦合金電子束焊接接頭缺乏研究，對(duì)材料焊接性和接頭的組織、性能研究較少。文中對(duì)5 mm厚熱等靜壓成形鈦合金電子束焊接接頭進(jìn)行組織和性能試驗(yàn)，分析熱等靜壓成形鈦合金電子束焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能，為熱等靜壓成形鈦合金電子束焊接的焊接性提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用的材料為熱等靜壓成形TC4鈦合金板材，試板尺寸為200 mm×200 mm×5 mm，其化學(xué)成分列于表1。焊前進(jìn)行超聲波除油，然后采用酸洗的方法去除表面氧化膜，烘干后放置于烘箱內(nèi)保存，在焊接前用無(wú)水乙醇擦拭干凈。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接試驗(yàn)在北京衛(wèi)星制造廠的真空電子束設(shè)備上進(jìn)行。如圖1所示，該設(shè)備屬于超大真空室中壓型設(shè)備，真空室尺寸為7 000 mm×3 900 mm×3 600 mm，最長(zhǎng)縱縫單次焊接長(zhǎng)度可達(dá)3 500 mm，筒體零件可焊最大環(huán)縫直徑2 000 mm。此設(shè)備電子槍為室內(nèi)動(dòng)槍(焊槍可在真空室內(nèi)移動(dòng))，可焊范圍比較大，而且電子軸可以0°～90°擺動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)工件的多姿態(tài)焊接，設(shè)備有較高的零件適應(yīng)性；電壓20～70 kV可調(diào)，功率60 kW，最厚可以焊接120 mm不銹鋼，能滿足大型構(gòu)件的焊接需求。焊接工藝參數(shù)見表2。

圖1 電子束焊接設(shè)備

焊接電流I/mA焊接電壓U/kV聚焦電流If/mA焊接速度v/(m·min-1)256020101

焊接完成后，沿垂直于焊縫的方向切取焊接接頭試樣。焊接接頭試樣應(yīng)包括焊縫區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)3個(gè)部分，用鑲樣機(jī)制作金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后，采用腐蝕劑(HF∶H2O=1∶5)腐蝕出接頭形貌。使用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭焊縫區(qū)、母材區(qū)、熱影響區(qū)的微觀組織形貌。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》加工焊接接頭拉伸試樣，焊接接頭拉伸試樣按垂直于焊縫的方向截取，并使焊縫位于拉伸試樣正中心。試樣尺寸如圖2所示，采用Instron萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸性能數(shù)據(jù)取5組有效數(shù)據(jù)的平均值。拉斷后，用Hitachi-S3400N型掃描電鏡觀察斷口形貌。

圖2 拉伸試樣尺寸

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》進(jìn)行焊接接頭硬度試驗(yàn)。采用維氏顯微硬度儀，每隔0.5 mm打一個(gè)點(diǎn)，對(duì)中間層焊縫進(jìn)行硬度測(cè)試。

2 結(jié)果及討論

2.1 接頭顯微組織分析

2.1.1母材顯微組織

圖3為熱等靜壓成形TC4鈦合金母材的顯微組織照片。從圖3可以看出，母材組織為典型的α+β雙相組織，β相均勻的分布在α相周圍，α相呈條束狀，β相沿α相晶界分布。

圖3 母材區(qū)顯微組織

2.1.2焊縫區(qū)顯微組織

圖4為熱等靜壓TC4鈦合金焊縫區(qū)顯微組織圖。從圖4可以看出，焊縫區(qū)顯微組織發(fā)生了顯著的變化，焊縫區(qū)組織為粗大的β柱狀晶，柱狀晶由熔合線向焊縫中心生長(zhǎng)，在生長(zhǎng)過程中有的顯著長(zhǎng)大直至焊縫中心，有的在生長(zhǎng)過程中停止生長(zhǎng)或轉(zhuǎn)向。從圖4a可以看出，越靠近焊縫中心位置，柱狀晶越小。由于焊縫區(qū)冷速過快，在冷卻過程中，β相來不及擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)α相，而是通過β相中原子遷移產(chǎn)生切變相變，形成針狀α′馬氏體相，針狀馬氏體相交錯(cuò)排列，形成網(wǎng)籃狀α′馬氏體相結(jié)構(gòu)。這種針狀馬氏體網(wǎng)籃狀組織的強(qiáng)度及蠕變抗力等綜合性能都較好。

2.1.3熱影響區(qū)顯微組織

圖5為熱等靜壓TC4鈦合金熱影響區(qū)顯微組織圖。從圖5可以看出，熱影響區(qū)組織根據(jù)與焊縫的距離不同，分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3個(gè)區(qū)域。距離焊縫較近的熱影響區(qū)I區(qū)，冷卻速度快，冷卻時(shí)β相來不及析出穩(wěn)定的α相，產(chǎn)生切變相變生成針狀α′馬氏體相，但是該區(qū)的針狀馬氏體相相對(duì)于焊縫區(qū)較少，也較短小。距離焊縫較遠(yuǎn)的熱影響區(qū)Ⅱ區(qū)，冷卻速度較慢，出現(xiàn)了等軸的初生α相，初生α相彌散的分布在熱影響區(qū)內(nèi)，同時(shí)也存在一部分β相切變相變產(chǎn)生的針狀α′馬氏體相，含量較I區(qū)更少。加熱溫度更低的Ⅲ區(qū)，內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生相變，顯微組織無(wú)明顯變化，基本與母材相同。

圖4 焊縫區(qū)顯微組織

圖5 熱影響區(qū)顯微組織

通過對(duì)焊接接頭各區(qū)組織進(jìn)行分析，可以得出，在熱等靜壓鈦合金電子束焊接接頭中母材組織為典型的α+β雙相組織，β相均勻的分布在α相周圍，焊縫區(qū)為粗大的β柱狀晶，由于冷卻速度過快，β相產(chǎn)生切變相變，形成針狀α′馬氏體相，馬氏體分布密集，交錯(cuò)排列，形成網(wǎng)籃狀組織。熱影響區(qū)組織晶粒細(xì)小，為等軸的初生α相和針狀α′馬氏體相，由于冷卻速度不同，在靠近焊縫的區(qū)域針狀α′馬氏體相較多，在離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域，出現(xiàn)了少量等軸的初生α相。

2.2 力學(xué)性能分析

2.2.1接頭硬度

對(duì)熱等靜壓TC4鈦合金電子束焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度明顯高于母材。這說明接頭不同區(qū)域的硬度與顯微組織有很大關(guān)系，焊接接頭存在的各相中，顯微硬度遵循著針狀馬氏體α′相>α相>β相的規(guī)律。焊縫區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)存在針狀α′馬氏體相，其交錯(cuò)排列，形成網(wǎng)籃狀組織，提高了焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度。距離焊縫區(qū)較遠(yuǎn)的熱影響區(qū)，針狀馬氏體相明顯減少，其硬度值明顯下降，母材區(qū)為α相和(α+β)相雙相組織，不存在針狀馬氏體相，因此硬度最低。

圖6 硬度測(cè)試結(jié)果

2.2.2接頭拉伸性能

表3為焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。由表3可以得出，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度932 MPa，平均屈服強(qiáng)度850 MPa，平均斷后伸長(zhǎng)率13.5%，斷裂位置均位于母材，如圖7所示。這表明母材為接頭的薄弱環(huán)節(jié)，焊縫金屬的強(qiáng)度比母材高。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖7 斷裂位置示意圖

材料的力學(xué)性能主要取決于微觀組織狀態(tài)，母材組織為典型的α+β雙相組織，焊縫區(qū)的組織與母材相比發(fā)生了顯著的變化，由于電子束焊熱源集中，焊接速度快，冷卻速度也快，在焊縫區(qū)出現(xiàn)了α相來不及完全析出而形成的針狀α′馬氏體相，并交錯(cuò)排列，形成網(wǎng)籃狀組織。電子束焊接接頭熱影響區(qū)較小，熱影響區(qū)彌散的α相和針狀α′馬氏體相同時(shí)存在。馬氏體相是一種硬脆相，它的存在使材料的強(qiáng)度增加，韌性和塑性都有所減小。在熱等靜壓成形TC4鈦合金焊接接頭中，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)都存在針狀馬氏體相，因此焊縫區(qū)和熱影響區(qū)強(qiáng)度均高于母材，斷裂位置均位于母材區(qū)。

2.3 斷口形貌分析

焊接接頭的斷口掃描電鏡圖片如圖8所示。從圖8可以看出，焊接接頭斷口形貌為典型的延性斷裂，斷口上均勻的分布著韌窩。圖8a位于斷口中心，為斷口放射區(qū)，韌窩大而深；圖8b位于斷口邊緣，為斷口剪切唇，韌窩小而淺。

圖8 焊接接頭斷口微觀形貌

綜上所述，熱等靜壓TC4鈦合金電子束焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度、強(qiáng)度高于母材，而韌性、塑性相比于母材有所降低，這是由于焊縫區(qū)和熱影響區(qū)分布著針狀α′馬氏體相，α′馬氏體相交錯(cuò)排列形成網(wǎng)籃狀組織，對(duì)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)產(chǎn)生了強(qiáng)化作用。

3 結(jié) 論

(1)熱等靜壓成形TC4鈦合金母材區(qū)為α+β雙相組織，焊縫區(qū)為α′馬氏體相交錯(cuò)排列形成的網(wǎng)籃狀組織，熱影響區(qū)組織為等軸的初生α相和針狀α′馬氏體相。

(2)熱等靜壓成形TC4鈦合金焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度值明顯高于母材，接頭平均抗拉強(qiáng)度932 MPa，斷裂位置為母材區(qū)。

(3)熱等靜壓成形TC4鈦合金焊接接頭斷口形貌為典型的延性斷裂，斷口上均勻的分布著韌窩。

[1] Moll J H，Yolton C F. Metals handbook，vol 7，powder metal technologies and applications[M]. American Society for Metals，Ohio，USA,1998.

[2] Lütjering G，Willians J C. Engineering materials and processes: titanium[M]. Springer，Berlin，Germany, 2003.

[3] Widmer R. Hot isostatic pressing[J]. Casting & Engineering of Foundry World，1982，14(2): 44-45.

[4] 郎利輝，喻 思，姚 松，等. 熱等靜壓法制備TC11鈦合金及其粉固擴(kuò)散連接件的組織與性能[J]. 粉末冶金材料科學(xué)與工程，2015，20(4):548-554.

[5] 喻 思，郎利輝，姚 松，等. 熱等靜壓制備 CF/Al 復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2015，20(10)：2745-2750.

[6] 范景蓮. 粉末增塑凈成形技術(shù)及致密化基礎(chǔ)理論口[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

[7] Zhang Binggang，Shi Mingxiao，Chen Guoqing，et al．Microstmcmre and defect of titanium alloy electron beam deep penetration welded joint[J]．Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2012，22:2633-2637.

[8] 蘆 偉，史耀武，雷永平，等. 厚壁TC4/DT鈦合金電子束焊接接頭的微觀組織特征[J]. 稀有金屬材料與工程，2013，42(1)：54-57.

2017-03-31

TG456.3

葛一凡，1989年出生，碩士，工程師。主要從事航天器焊接工藝工作。