張 華，程?hào)|海，黃繼華，趙興科，陳樹(shù)海

(1.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083;2.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，江西南昌 330063)

鈦合金是航空航天領(lǐng)域最重要的結(jié)構(gòu)材料.鈦合金“超塑成形/擴(kuò)散連接”(“SPF/DB”)是一種低成本、高效益、近無(wú)余量的組合成形工藝，在航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器結(jié)構(gòu)件制造方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，獲得了廣泛的應(yīng)用［1-9］.但是，傳統(tǒng)的鈦合金DB/SPF組合工藝仍暴露出相當(dāng)多的問(wèn)題和局限性.這種局限性均源于擴(kuò)散連接的固有特點(diǎn)(連接時(shí)間長(zhǎng)、連接過(guò)程需較大壓力、對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)適應(yīng)性差等).近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)展鈦合金“熔焊/超塑成形”或“熔焊/擴(kuò)散連接/超塑成形”組合工藝，以替代或改進(jìn)現(xiàn)有DB/SPF工藝技術(shù).目前，國(guó)內(nèi)外所涉及的熔焊方法主要有氬弧焊、等離子弧焊、真空電子束焊、激光焊等［10-16］.

很明顯，要能夠與超塑成形匹配形成組合工藝，所采用的焊接方法必須首先在焊接工藝特點(diǎn)上與超塑成形工藝相適應(yīng).激光焊接能量密度高、焊接速度大，其焊縫寬度與鈦合金薄板多層結(jié)構(gòu)超塑成形的要求最為吻合.而且，與電弧類焊接方法(如氬弧焊、等離子弧焊等)相比，激光焊具有熱影響區(qū)窄、焊件變形小、焊縫組織細(xì)小等特點(diǎn)，有利于保證接頭的性能和超塑性;與真空電子束焊相比，無(wú)需真空條件且適合于焊接薄板，對(duì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性強(qiáng)，是最適合與超塑成形技術(shù)匹配形成“激光焊/超塑成形”或“激光焊/擴(kuò)散連接/超塑成形”組合工藝的焊接方法.

本文將超塑成形(SPF)和激光焊接技術(shù)(LW)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)激光焊接/超塑成形組合工藝(LW/SPF)，研究TC4鈦合金激光焊板的超塑性變形行為，并采用激光疊焊/超塑成形制作四層結(jié)構(gòu)模擬構(gòu)件，驗(yàn)證其工業(yè)應(yīng)用的可行性.

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為北京航空制造工程研究所提供的細(xì)晶TC4鈦合金板材，厚度為0.8 mm.鈦合金焊前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格清理，激光焊接設(shè)備使用本研究室的Lase 4000 CO2軸流激光器，額定輸出功率為4 kW，光束模式為 TEM01，透射鏡聚焦，焦距f=190.5 mm.采用激光焊接獲得成形良好的TC4鈦合金疊焊接頭.

2 結(jié)果與分析

2.1 TC4鈦合金激光疊焊接頭顯微組織

圖1(a)為接頭截面組織，三維晶粒的不同取向使二維截面組織中的晶粒呈各種不同的形態(tài).合金元素在β相區(qū)溫度范圍內(nèi)的擴(kuò)散速率是在α相區(qū)擴(kuò)散速率的100倍左右，柱晶區(qū)焊縫高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，原始β晶粒粗大，晶粒尺寸為0.3～0.8 mm，是母材晶粒尺寸的40～60倍.焊縫快速冷卻過(guò)程中原始β晶粒內(nèi)部發(fā)生馬氏體相變，針狀α'馬氏體相在原始β柱狀晶內(nèi)部形核長(zhǎng)大，導(dǎo)致焊縫形成了典形的網(wǎng)籃狀組織.

圖1(b)、(c)分別為上板焊縫和下板焊縫內(nèi)部組織照片.上板焊縫內(nèi)部馬氏體分布更密集，這是由于上板焊縫吸收的激光能量大于下板造成的.激光能量作用越強(qiáng)，熔池的能量越高，其熔池?cái)嚢枳饔靡苍綇?qiáng)，馬氏體針?lè)植几用芗?

熱影響區(qū)(HAZ)為α+β+α'組織(圖2)，該區(qū)域的針狀馬氏體比焊縫少，也更加細(xì)小.由于熱影響區(qū)內(nèi)各部分與熔池距離的不同，所受的影響也不同，靠近熔合線部分較之遠(yuǎn)離熔合線的區(qū)域晶粒更為粗大，針狀馬氏體數(shù)量多且更密集.

2.2 TC4鈦合金激光疊焊板超塑性變形

TC4鈦合金激光疊焊板超塑性變形后的宏觀照片如圖3所示.接頭區(qū)域均未斷裂，接頭與母材交界面未脫離，接頭表面未出現(xiàn)明顯的褶皺.疊焊試樣的峰值流變應(yīng)力低于56 MPa，延伸率可達(dá)530%，表明TC4鈦合金疊焊試樣具有良好的超塑性變形能力.

圖1 疊焊接頭顯微組織

圖2 焊縫熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織

圖4為超塑性變形溫度對(duì)焊板峰值流變應(yīng)力的影響曲線.隨著變形溫度的升高，疊焊板的流變應(yīng)力減小，超塑性變形能力增加.在同一變形溫度下，峰值流變應(yīng)力隨著初始應(yīng)變速率的降低而減小.例如拉伸溫度恒定900℃條件下，初始應(yīng)變速率增加至10-2s-1，峰值流變應(yīng)力39.75 MPa，當(dāng)初始應(yīng)變速率為10-3s-1時(shí)，峰值流變應(yīng)力為10.5 MPa.圖5為變形溫度對(duì)焊板延伸率的影響。

圖3 激光疊焊板超塑性變形后宏觀照片

圖4 變形溫度對(duì)試樣峰值流變應(yīng)力的影響

圖5 變形溫度對(duì)焊板延伸率的影響

由圖5可知，在相同初始應(yīng)變速率條件下，延伸率隨溫度的升高而增加明顯.初始應(yīng)變速率對(duì)試樣的延伸率影響不是太明顯.這種現(xiàn)象是由于接頭對(duì)焊板超塑性變形頸縮與抗頸縮過(guò)程的阻礙作用引起的.

2.3 激光疊焊板超塑性變形顯微組織

圖6所示為900℃、10-3s-1時(shí)激光疊焊接頭超塑性變形后各區(qū)域顯微組織照片.

圖6(a)箭頭所示為拉伸方向，中間連接焊縫因承受剪切力而發(fā)生明顯錯(cuò)位.圖6(b)為未發(fā)生變形的焊縫區(qū)域顯微組織，焊縫中心組織為長(zhǎng)片狀組織，說(shuō)明在高溫作用下，焊縫組織發(fā)生了由針狀馬氏體α'→α+β的一次組織轉(zhuǎn)變.但由于此區(qū)域未受到應(yīng)力變形的作用，因此沒(méi)有發(fā)生片層組織到等軸組織的二次轉(zhuǎn)變.

圖6(c)為發(fā)生變形的焊縫區(qū)域顯微組織，此區(qū)域的片層組織更加短小，分布也更雜亂.說(shuō)明在變形應(yīng)力的作用下，片層組織發(fā)生了二次轉(zhuǎn)變，使得片層具有向等軸組織轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，然而由于與母材相比，焊縫發(fā)生變形所需應(yīng)力更大，因此轉(zhuǎn)變并不充分.

圖6(d)所示在熔合區(qū)右側(cè)為短小片層的焊縫區(qū)域，而左側(cè)為近等軸組織的熱影響區(qū)，且熔合區(qū)界限非常明顯.說(shuō)明焊板超塑性變形過(guò)程中，接頭變形并不充分，組織轉(zhuǎn)變未能達(dá)到混合狀態(tài)，接頭各區(qū)域仍在原始組織的區(qū)域發(fā)生轉(zhuǎn)變.由圖6(e)可見(jiàn)，熱影響區(qū)組織為近似等軸組織，中間夾雜部分細(xì)小片層.

2.4 TC4激光疊焊/超塑成形模擬件研制

將激光焊接試樣在真空條件下進(jìn)行超塑性脹形得到四層板結(jié)構(gòu)件，試樣截面示意圖如圖7(a)所示，其中陰影部分表示焊接接頭截面.激光焊接試樣脹形試驗(yàn)的工藝參數(shù)為:變形溫度920℃，氣壓2 MPa，脹形時(shí)間1 h，零件最終晶粒尺寸為5～7 μm.超塑成形/擴(kuò)散焊接試驗(yàn)工藝為:溫度920℃，氣壓2 MPa，脹形時(shí)間3 h.

圖7(b)為激光焊接試樣經(jīng)超塑性脹形成四層結(jié)構(gòu)件照片.采用激光焊/超塑成形組合工藝可制作符合使用要求的TC4鈦合金四層結(jié)構(gòu)件，激光焊縫處完好無(wú)裂紋.

3 結(jié)論

1)疊焊焊縫組織為粗大的柱狀晶，內(nèi)部為α'交織成的網(wǎng)籃組織，且上板焊縫中馬氏體分布更密集.熱影響區(qū)中存在少量細(xì)小馬氏體組織，且成梯度分布.

圖6 超塑性變形后疊焊接頭顯微組織

圖7 四次結(jié)構(gòu)模擬件LW/SPF制備

2)TC4鈦合金激光疊焊板具有良好的超塑性變形能力，疊焊接頭具備承受焊板超塑性變形的能力，接頭區(qū)域沒(méi)有發(fā)生斷裂，接頭與母材的界面也未出現(xiàn)脫離，試樣在母材破壞，但試樣的變形主要集中在母材.

3)激光疊焊/超塑成形組合工藝制作的四層結(jié)構(gòu)件大大降低了試樣在高溫的停留時(shí)間，零件最終晶粒尺寸為5～7 μm，是擴(kuò)散連接/超塑成形組合工藝時(shí)試樣的晶粒尺寸的一半，有利于增加零件的強(qiáng)韌性、抗疲勞等性能，提高零件使用壽命.

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