北京航空航天大學材料科學與工程學院 彭文雅 邵 玲 吳素君

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 劉 穎 李冬杰

鈦及鈦合金因其優(yōu)越的耐熱、耐腐蝕及比強度高等特點，在航空、航天、核能、化學工業(yè)等領域應用廣泛[1]。其中，TC4鈦合金屬于Ti-A l-V系典型的α+β型雙相熱強鈦合金，目前是航空領域應用最廣泛的材料之一[2]。我國自行研制的TA16為α鈦合金，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能和抗變形能力，主要用于聯(lián)接管道[3]。TC4/TA16焊接件可用于飛機管道系統(tǒng)，比單一的TC4有著更好的加工成形性能，同時比單一的TA16管道有更高的強度，這種異種鈦合金焊接件綜合了各個母材的優(yōu)點，具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，國內外對TC4氬弧焊焊接接頭的研究已趨于成熟[4-5]，但對TA16的焊接接頭研究仍較少，而對TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的研究也極少。這在很大程度上制約了這種異種鈦合金管的生產(chǎn)和使用進程。本文針對TC4與TA16鈦合金氬弧焊接頭微觀組織、力學性能、斷裂的特點進行了研究，旨在分析TC4/TA16異種鈦合金氬弧焊接頭的斷裂機理，為材料的壽命預測和完整性研究提供依據(jù)。

1 試驗材料和方法

試驗焊接接頭的母材選用TC4、TA16的軋制板材，經(jīng)過氬弧焊接成板材，后線切割成100mm×20mm×3mm，同時使焊縫中心位于焊接件的中心位置（見圖1）。材料焊后的熱處理制度為在600℃真空爐退火2h，隨爐冷至室溫，去除內應力。母材TC4、TA16的化學成分如表1、2所示，力學性能如表3所示。

采用OLYMBUS BX51M光學顯微鏡對母材、焊縫、熱影響區(qū)進行微觀組織形態(tài)觀察。金相樣品的腐蝕劑為kroll試劑，試劑體積比為HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶5。

硬度測試在FM800小負荷維氏硬度計上進行，沿著焊縫中心每隔0.5mm打一次點，再分別在母材、焊縫和熱影響區(qū)部位每隔0.5mm打一次點，最后分別得到橫向和縱向硬度分布曲線。測試時使用的載荷為0.5kg，保壓時間15s。制備拉伸試樣，焊縫位于中心，標距長度30mm，采用MTS材料拉伸試驗機進行試驗，位移速率為0.3mm/min。

圖1 焊接接頭示意圖Fig.1 Diagram of welded joints

表1 TC4合金化學成分（質量分數(shù)）%

表2 TA16合金化學成分（質量分數(shù)）%

表3 母材拉伸性能

加工3點彎試樣，尺寸如圖2所示。線切割位置分別位于TC4母材、TC4側熱影響區(qū)、焊縫中心、TA16側熱影響區(qū)、TA16母材。采用MTS 880材料試驗機，測試焊接接頭不同位置處的斷裂韌性，再使用TSM-6010LA型掃描電鏡觀察斷口形貌，確定焊接接頭的斷裂機理。

圖2 三點彎試樣（mm）Fig.2 Three points bending specimen（mm）

2 試驗結果與分析

2.1 金相結果及分析

圖3是焊接接頭宏觀表面照片?？梢钥闯?，鎢極氬弧焊焊接接頭分為焊縫區(qū)、TC4側熱影響區(qū)、TA16側熱影響區(qū)和母材區(qū)。TA16母材的導熱能力小于TC4母材的導熱能力[6]。在焊接過程中，TA16一側產(chǎn)生大量熱累積，使較大范圍受到熱影響，使該范圍內晶核沿著母材向焊縫區(qū)生長，且在熱作用下越長越大，使得TA16側熱影響范圍和晶粒尺寸均大于TC4側。

為確定組織形貌，對焊接接頭進行了微觀組織觀察，結果如圖4所示。圖4（a）為TC4母材區(qū)組織，TC4為典型的等軸組織，圖中黑色為初生α相，白色為片狀次生α相和殘余β相構成的β轉變組織。其中α相含量超過總含量的50%[7]。圖4（b）為TA16母材的微觀組織，TA16是細小的等軸α晶粒，且大部分為完全再結晶晶粒和亞結構，尺寸均勻。微觀組織中能看到滑移和孿晶現(xiàn)象，TA16由于是近α型鈦合金，成分中中性穩(wěn)定元素含量極少，所以在熱處理過程中，當溫度冷卻到室溫后，β相很難保留下來，導致TA16微觀組織中幾乎沒有β相。圖4（c）為焊縫區(qū)組織形貌，由針狀馬氏體α'+β和原始β晶界組成，圖中的針狀α和β晶界清晰可見。鈦合金α+β→β相轉變溫度在880℃左右，原始相在焊接過程中轉變成β相，焊縫中心表面由于冷卻速度快，使得β再轉變時形成針狀α'相，同時晶界β保留下來。在相轉變過程中，α'沿著β相晶界慢慢形成晶核生長，最后原始的β晶粒相變?yōu)棣?+β組織。在焊接過程中，熱量導致發(fā)生相轉變，原始的α+β相轉變?yōu)棣孪?。β區(qū)受熱致使β晶界不同程度的破碎，片狀α相沿不同方向分布形成網(wǎng)籃狀結構。TC4側熱影響區(qū)組織如圖4（d）所示，β轉變基體上分布著交錯編織成網(wǎng)籃狀的片狀α組織，與焊縫區(qū)相比，該區(qū)的晶粒尺寸更細。TA16側熱影響區(qū)組織形貌如圖4（e）所示，該區(qū)組織由于熱量擴散慢，導致α晶粒長大，組織不均勻。同時受到溫度差產(chǎn)生應力驅動，晶粒發(fā)生了較大的塑性變形，出現(xiàn)畸變。

圖3 焊接頭宏觀照Fig.3 Macro photo of welding joint

2.2 拉伸測試結果及分析

為了測定焊接接頭的強度極限，對5組焊接接頭進行了拉伸測試，并用掃描電鏡觀察了斷口形貌。測試結果為，焊接接頭屈服強度平均值為414MPa，接近TA16母材，低于TC4母材?？估瓘姸绕骄禐?18.5MPa，斷裂伸長率為13%，兩者均分別低于兩種母材。這是因為焊接接頭的焊縫中心組織細小，強度和塑性較好。在焊接過程中，TA16一側由于散熱能力較差，使TA16一側熱影響區(qū)長時間處于高熱區(qū)，晶粒尺寸長大，組織不均勻，使抗拉強度均低于母材和焊縫區(qū)，最終導致拉伸斷裂位置位于強度最低的TA16一側的熱影響區(qū)。拉伸過程中載荷不斷增大，TA16熱影響區(qū)首先進入屈服、硬化，接著頸縮斷裂，而此時TC4母材和焊接接頭均未達到屈服狀態(tài)。試樣的斷裂伸長率大部分由該區(qū)域提供，但TA16側熱影響區(qū)的伸長非常有限，所以出現(xiàn)了斷裂伸長率顯著降低的現(xiàn)象。由圖5可知，斷口出現(xiàn)大小近似相等的等軸韌窩，密且均勻，焊接接頭的拉伸斷裂模式為塑性斷裂。

圖4 焊接接頭顯微組織照片F(xiàn)ig.4 Microstructure photographs of welding joint

圖5 拉伸斷口顯微照片F(xiàn)ig.5 Micro photograph of tensile fracture

2.3 硬度測試結果及分析

材料硬度大小在一定程度上可以反映出材料的強度。為了進一步掌握TC4/TA16異種焊接接頭不同區(qū)域的性能差異，對焊接接頭進行橫向和縱向硬度測試，得到的結果見圖6。母材TC4和TA16的硬度大約為403.958HV和229.666HV。得到的各個區(qū)域硬度關系有：TC4母材＞TC4側熱影響區(qū)＞焊縫中心＞TA16母材＞TA16側熱影響區(qū)。主要原因有：TC4母材晶粒細小，組織強度高，所以硬度也大；位于TC4一側的熱影響區(qū)由于受到焊接熱量輸入的影響，使得晶粒長大，但因為形成細小交錯的網(wǎng)籃結構，所以硬度很大，但低于TC4母材。焊縫區(qū)的高過冷度使得相變過程中形成針狀的馬氏體組織，且原始β晶界依然存在，所以焊縫區(qū)依然有較高的硬度，但與TC4一側的熱影響區(qū)相比，其晶粒更粗大，晶界能較低、強度小，所以TC4一側的熱影響區(qū)的硬度要較高。TA16母材的晶界能低、強度小，其硬度也更低?？拷黅A16母材一側熱影響區(qū)由于熱擴散小，長時間處于高溫狀態(tài)，晶粒尺寸長大，組織不均勻，所以該區(qū)域的硬度和強度均是最低的，這也與焊接接頭拉伸斷裂位置為TA16熱影響區(qū)相對應。

2.4 斷裂韌性分析

在一般情況（低溫、厚截面或高應變速率除外）下，工程結構件常常表現(xiàn)為裂紋擴展前在缺陷或裂紋尖端區(qū)域存在較大的塑性變形甚至全面屈服，從而改變了這個區(qū)域應力場的性質，最終導致線彈性分析失效而需要借助彈塑性斷裂力學分析，用CTOD值來衡量材料斷裂韌性的大小[8-9]。本試驗分別測試焊接接頭TC4一側熱影響區(qū)、焊縫中心、TA16一側熱影響區(qū)以及母材的斷裂韌性。

圖6 焊接接頭各區(qū)顯微硬度Fig.6 Each zone Microhardness of welding joint

TC4鈦合金的平均CTOD為0.071mm，TA16鈦合金的平均CTOD值為0.308mm，母材CTOD值關系為：TC4＜TA16。TA16鈦合金中的裂紋在擴展過程中需要吸收更多的能量，從而使斷裂韌性高于TC4值。在裂紋尖端CTOD的彈性和塑性分量中，塑性分量是構成CTOD的主要部分。焊接接頭各個區(qū)域存在不同的CTOD值，將各區(qū)域CTOD的平均值作圖，得到圖7。沿著焊接接頭TC4母材、TC4側熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、TA16側熱影響區(qū)和TA16母材的方向，各區(qū)的CTOD大小關系依次為：TA16側熱影響區(qū)＞TA16母材＞焊縫中心＞TC4母材＞TC4側熱影響區(qū)。TA16側熱影響區(qū)內，晶粒發(fā)生大塑性變形產(chǎn)生畸變，使裂紋擴散途徑曲折，而消耗更多的能量，所以該區(qū)的CTOD最高，但由于晶粒尺寸較大，塑性變形抗力小，所以該區(qū)的硬度、強度低。焊縫組織為針狀α片層+β和原始β晶界，所以強度高于TC4母材，同時裂紋擴展時，因為晶界能大，使得擴展需要吸收較多能量，所以CTOD值也高[10]。

圖7 焊接接頭各位置CTOD值Fig.7 CTOD of each position of welding joint

為了進一步了解各個區(qū)域的斷裂模式，對各區(qū)斷口形貌進行觀察，結果如圖8所示。圖8（a）為TC4母材裂紋擴展區(qū)的斷口形貌，該區(qū)斷口中出現(xiàn)大量的淺韌窩。圖8（b）為裂口開在焊接接頭TC4側熱影響區(qū)時的微觀斷口形貌，斷口表面出現(xiàn)一些等軸的小尺寸平面，與等軸晶尺寸相當。圖8（c）為焊縫中心斷口形貌，可以看出，裂紋擴展區(qū)存在二次裂紋，同時還存在撕裂棱和小臺階。圖8（d）為TA16側熱影響區(qū)斷口形貌，斷口表面出現(xiàn)少量的韌窩，同時可以看到原變形的粗大α相的痕跡，出現(xiàn)一些小平面。在靜壓過程中，晶粒發(fā)生塑性變形，裂紋吸收大量能量在晶粒內部擴展，使得CTOD值較高。圖8（e）為TA16母材裂紋擴張區(qū)的形貌圖，可見斷口表面存在大量深且大的韌窩。

圖8 焊接接頭斷裂韌性斷口顯微照片F(xiàn)ig.8 Micro photographs of fracture toughness of welding joint

3 結論

通過分析TC4/TA16異種金屬焊接接頭的金相組織、力學性能和斷裂韌性，可以得出以下結論。

（1）通過TIG氬弧焊后，焊接接頭各區(qū)受熱不均勻，從而形成不同的組織結構。由于焊接速度較慢，使組織長時間處在高熱區(qū)，導致焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒偏大。與TC4相比，TA16側熱影響區(qū)導熱較慢，使晶粒尺寸大于TC4側熱影響區(qū)的晶粒尺寸。

（2）焊接接頭的屈服強度接近于TA16母材的屈服強度，而延伸率和抗拉強度均低于兩母材。TA16側熱影響區(qū)在焊接過程中過熱時間較長，致使晶粒較大，故硬度降低，力學性能下降?？梢缘贸觯琓C4/TA16異種焊接接頭的拉伸薄弱環(huán)節(jié)位于TA16熱影響區(qū)中。

（3）焊接接頭斷裂韌性在不同區(qū)域變化較大。TA16側熱影響區(qū)CTOD值最高，這是由于裂紋尖端的塑性區(qū)較小，裂紋尖端擴展需要吸收較大的能量。當3點彎缺口位于TC4區(qū)域時，裂紋尖端擴展需要吸收的能量低故其CTOD值較低。

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