30_mm退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能研究_王维贤.pdf

试验与研究第46卷 第3期2023年3月Vol.46 No.3Mar.2023HAN GUAN 焊管WELDED PIPE AND TUBE30 mm退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能研究王维贤，庄明祥，刘波，刘永强（中航西安飞机工业集团股份有限公司，西安 710089）摘 要：为了提升钛合金的焊接效率和质量，采用电子束焊接方式对30 mm退火态TC4钛合金进行焊接试验，并对焊接接头进行力学性能检测、显微组织分析及残余应力测试，通过扫描电镜对断口形貌进行分析，研究完全退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能。结果表明，接头焊缝区由针状马氏体 相和分布在原始 晶界的 相组成，接头热影响区由初生 相、针状马氏体 相以及少量相组成。EBW接头抗拉强度平均值略高于母材，EBW接头第二层焊缝区及热影响区冲击功均低于母材，同时两种接头断口形貌均发现大量韧窝，为韧性断裂。接头最大残余拉应力值约为150 MPa，在平行和垂直焊接方向，残余拉应力最大值均出现在焊缝上表面附近区域，而残余压应力最大值均出现在焊缝下表面附近区域。关键词：TC4钛合金；电子束焊接；显微组织；力学性能中图分类号：TG406 文献标识码：A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.03.003Microstructure and Properties of 30 mm Annealed TC4 Titanium Alloy EBW JointsWANG Weixian,ZHUANG Mingxiang,LIU Bo,LIU Yongqiang(AVIC Xian Aircraft Industry Group Co.,Ltd.,Xian 710089,China)Abstract:In order to improve the welding efficiency and quality of titanium alloy,the electron beam welding was used to weld the 30 mm annealed TC4 titanium alloy,and the mechanical properties,microstructure and residual stress of the welded joint were tested.The fracture morphology was analyzed by scanning electron microscope,and the microstructure and properties of the fully annealed TC4 titanium alloy EBW joint were studied.The results show that the joint weld zone is composed of acicular martensite phase and phase distributed in the original grain boundary,the joint heat affected zone is composed of phase,acicular martensite phase and small amount phase composition.The average tensile strength of EBW joint is slightly higher than that of the base metal.The impact energy of the second layer of weld zone and heat affected zone of EBW joint is lower than that of the base metal.Meanwhile,a large number of dimples are found on the fracture morphology of both joints,which is ductile fracture.The maximum residual tensile stress of the joint is about 150 MPa.In the parallel and vertical welding directions,the maximum residual tensile stress appears near the upper surface of the weld,while the maximum residual compressive stress appears near the lower surface of the weld.Key words:TC4 titanium alloy;electron beam welding;microstructure;mechanical properties0前 言TC4钛合金是20世纪50年代发展起来的一种中等强度型两相钛合金，含有6%的稳定元素Al和4%的稳定元素V，具有低质高强、良好的高温强度和较好的耐腐蚀性等优秀的综合性能，在航空航天、航海、汽车、医疗器械、运动器材等新兴领域得到了广泛的运用1-4。钛合金的常规焊接工艺在一些大型结构件中存在焊接生产效率低、焊接过程易氧化、焊接质量受人为 132023年 第 46 卷焊 管因素影响大等缺点，而真空电子束焊接方法因具有高能量密度，高熔透性，焊接变形小，在真空条件下焊接可以避免焊接接头的污染，在钛合金材料焊接中的应用逐渐受到关注5-8。对于TC4钛合金电子束焊接技术、焊缝组织及性能，国内外很多学者进行了大量研究9-11。本研究选用30 mm厚TC4钛合金锻件进行电子束焊接，焊后对焊件进行完全退火处理，并研究其组织与性能。1试验材料及方法1.1试验材料及工艺试验材料为 120 mm210 mm30 mm 规格的 TC4 钛合金，其化学成分见表 1，焊接接头如图 1 所示。焊接前对试样表面进行机械加工使其平整，酸洗去除表面氧化物后再用无水乙醇擦拭表面。焊接设备为法国泰克米特 GENVOA98型真空电子束焊机，该焊机属中压型电子束焊机，最大加速电压70 kV，最大束流值为714 mA。焊接试验先采用真空电子束焊对试板进行单侧穿透焊，焊接采用的工艺参数如表2所示，焊后对焊件进行完全退火，退火温度为820，保温时间为90 min，空冷。1.2试验方法1.2.1拉伸试样制备沿焊缝熔深方向分 2 层制备焊接接头拉伸试样。为保证数据的准确性，每一层分别沿同一水平位置取三个试样。拉伸试样按 GB/T 26512008焊接接头拉伸试验方法 从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取。试样加工完成后，焊缝应位于试样平行长度部分的中间，试验选用圆形横截面试样，拉伸试样取样位置及方向如图 2 所示。拉伸试验在 INSTRON 1195电子拉伸试验机上进行，如图 3 所示，拉伸速率为0.5 mm/min。1.2.2冲击试样制备沿焊缝熔深方向分2层制备冲击试样后进行常温冲击试验，每层2个区域（分别为热影响区和熔化区），每一层每个区域分别沿同一水平位置制备 3 个试样，试样缺口方向与焊缝方向平行，取样位置及缺口方向如图4所示。冲击试样 表1试验材料化学成分%w（Al）5.90w（V）4.20w（Fe）0.25w（C）0.028w（N）0.004 2w（H）0.001 1w（O）0.039 5w（Si）0.026w（Ti）余量图1焊接接头示意图表2TC4钛合金电子束焊接工艺参数加速电压/kV60聚焦电流/mA2 080电子束电流/mA180焊接速度/（mm m-1）300扫描频率/Hz200图2拉伸试样取样位置及方向图3INSTRON 1195 电子拉伸试验机 14第3期王维贤等：30 mm退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能研究HAN GUAN 毛坯按 GB/T 2292007 金属夏比缺口冲击试验方法从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取。试样加工完成后，待测区域的轴线应位于试样的中间。试验选用 U 形缺口夏比冲击试样。1.2.3金相试样制备沿焊缝横向截取完整的接头进行金相试样制备，试样需包含母材、热影响区和熔化区。金相试样经打磨、抛光和腐蚀后，使用显微镜观察接头各区域显微组织，腐蚀剂成分为HF HNO3 H2O=3 7 90，腐 蚀 时 间 约 为30 s。1.2.4残余应力测试30 mm厚TC4钛合金电子束焊接接头分上表面、1/2厚度位置及下表面3层，进行残余应力测试，每层7个测量点。每层测试点布点示意图如图5所示。测量时采用局部逐层去除盲孔法，盲孔孔径2 mm，采用的应变片为BE120-2CA-K，应变片灵敏度系数为 2.230。残余应力由公式（1）和公式（2）计算获得，应变片相关参数如图6所示。x=(A+B)1-(A-B)34AB（1）y=(A+B)3-(A-B)14AB（2）公式中A、B为应变释放系数，1、3为应变量，其中平行于x轴方向的残余应力为x，垂直于x轴方向的残余应力为y。2试验结果及讨论2.1接头宏观形貌及分层微观组织图 7 为接头横截面宏观形貌，图 8 为分层微观组织，接头沿焊缝熔深方向分为 Layer1、Layer2、Layer3 三层，每层又分为母材（BM）、热影响区（HAZ）及焊缝区（WM）。从图 8 可以看出，接头热影响区由初生 相、针状马氏体 相以及少量 相组成，焊缝区主要由针状马氏体 相和分布在原始 晶界的 相组成，热影响区和焊缝区均存在 相，是由于电子束焊接时，处于高温的 相快速冷却时，原始的 晶粒再结晶产生了过饱和的马氏体，即针状的 组织。焊缝区 Layer1 位于焊缝的上部，电子束焊接金属蒸汽蒸发带动上部的金属液流动，使得上部热传导较为均匀，冷却速度快，形成杂乱细长的针状马氏体 相12。Layer2位于焊缝的中部平行段，焊接速度快，针状马氏体 相沿温度梯度最大的地方快速成长，形成几乎平行的具有大长径比的马氏体丛束，针图4冲击试样取样位置及及缺口方向图6应变片相关参数（单位：mm）图5测试点布点示意图 152023年 第 46 卷焊 管状马氏体具有一定的方向性。Layer3位于焊缝底部，由于温度梯度大，使得散热条件好，焊缝底部冷却速度快，快速冷却过程中相来不及析出相而形成杂乱的细长的针状马氏体。热影响区主要以合金元素扩散为主，由于接头上部热传导较为均匀，导致热影响区Layer1 冷却速度较快，已经凝固的 相中只能析出少量针状 组织；Layer2 位于热影响区中间部位，该区域焊接速度快，且焊后冷却速度相对较慢，保温时间长，导致 Layer2 层 相中可以析出较多的针状 组织；Layer3 位于热影响区下部位置，该区域温度梯度大，冷却速度快，其组织与 Layer1 层相似，由 相中析出少量针状 组织。母材区由于受热输入影响很小，其 Layer1、Layer2 和 Layer3 组织基 本 相 同，均 由 等 轴、片 状 相 和 晶 间 构成。由图 8 对比焊缝区和热影响区的微观组织可以看出，焊缝区域的针状 组织比热影响区的多且粗大，造成该组织差异的主要原因是焊缝区的温度相对热影响区高，冷却速度相对热影响区更快，从而具备产生针状 组织的良好条件。2.2接头拉伸及冲击性能对试样分别进行拉伸试验后发现断裂位置均位于母材区，图9为接头拉伸试验结果。结合表3可知，母材的抗拉强度的平均值为939.19 MPa，图7接头横截面宏观形貌图8接头分层微观组织 16第3期王维贤等：30 mm退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能研究HAN GUAN 接头的抗拉强度平均值为953.64 MPa，接头各层的拉伸性能差异很小，接头拉伸强度高出母材1.8%。接头强度高于母材的原因在于热影响区和焊缝位置均生成了针状马氏体 相，弥散分布在基体之中，可以造成位错被塞积而对位错运动产生阻碍，从而产生弥散强化作用，使试样的强度