孫兵兵，郭紹慶，肇恒躍，陳冰清，李勝男

（1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院，北京100095；2.駐沈飛工業(yè)集團(tuán)公司軍代表室，遼寧沈陽110034）

ZTC4鈦合金氬弧焊補(bǔ)焊工藝及組織性能研究

孫兵兵1，郭紹慶1，肇恒躍2，陳冰清1，李勝男1

（1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院，北京100095；2.駐沈飛工業(yè)集團(tuán)公司軍代表室，遼寧沈陽110034）

針對(duì)ZTC4鈦合金鑄件中出現(xiàn)的裂紋、夾雜等鑄造缺陷，對(duì)其進(jìn)行氬弧焊補(bǔ)焊工藝及接頭組織性能評(píng)價(jià)研究。研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)焊后的試板未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，焊縫組織由大量針狀α′和β相組成；采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理能最大程度地減小焊接殘余拉應(yīng)力，防止焊接裂紋的產(chǎn)生；預(yù)熱焊接+熱處理接頭的室溫拉伸性能最好，與母材相當(dāng)，室溫沖擊性能超過母材。

ZTC4；氬弧焊補(bǔ)焊；接頭組織性能；殘余應(yīng)力

0 前言

ZTC4鑄造鈦合金比重小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能高、高低溫力學(xué)性能好，是現(xiàn)代飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)常選用的骨干鈦合金材料。國內(nèi)外許多重要飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目將鑄造鈦合金廣泛用于航空航天用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件和飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件的制造[1-4]。如美國F-22殲擊機(jī)采用了70多個(gè)鈦合金精鑄件，且機(jī)翼的50％由鈦合金鑄件構(gòu)成；國內(nèi)某型戰(zhàn)機(jī)也大量使用鈦合金熱等靜壓鑄件作為主要承力構(gòu)件，確保了飛機(jī)的輕質(zhì)、敏捷和低成本。而在ZTC4鈦合金整體精鑄中介機(jī)匣的研制中發(fā)現(xiàn)，鑄件存在氣孔、夾雜、裂紋等諸多缺陷，且鈦合金鑄件在熱等靜壓后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)需要補(bǔ)焊的凹坑。故研究鈦合金整體鑄件鑄造缺陷的氬弧焊補(bǔ)焊技術(shù)有著重要的工程意義和明確的需求背景。在此針對(duì)ZTC4鈦合金整體精鑄中介機(jī)匣的焊接技術(shù)需求，研究其氬弧焊補(bǔ)焊工藝，包括焊接材料、氬弧焊工藝參數(shù)、焊接預(yù)熱及焊后熱處理工藝，分析接頭顯微組織，評(píng)估接頭力學(xué)性能，最終形成適用的鈦合金鑄件補(bǔ)焊工藝。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為δ=3.0 mm和δ=6.0 mm厚的ZTC4

板材，規(guī)格30 mm×100 mm，材料狀態(tài)為鑄造＋熱等靜壓。焊前，首先采用手持電動(dòng)打磨槍在試片中心分別制備φ11 mm×2.5 mm和φ11 mm×5.5 mm的錐形孔，模擬缺陷；隨后對(duì)補(bǔ)焊位置進(jìn)行酸洗，去除表面氧化層，酸洗配方為5HF∶35HNO3∶60H2O；試板烘干后再用丙酮擦拭，采用φ1.0 mm TC4焊絲，進(jìn)行鎢極氬弧焊補(bǔ)焊試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表1所示，補(bǔ)焊時(shí)采取預(yù)熱和不預(yù)熱兩種方式，預(yù)熱溫度150℃± 10℃；焊接結(jié)束后，對(duì)試板分別進(jìn)行不熱處理和焊后熱處理，熱處理制度730℃×2 h，真空處理；最后形成焊接、預(yù)熱焊接、焊接＋熱處理、預(yù)熱焊接＋熱處理四種狀態(tài)的補(bǔ)焊接頭。取四種狀態(tài)金相試樣各一塊進(jìn)行接頭顯微組織分析，加工相關(guān)力學(xué)性能試樣進(jìn)行室溫拉伸、沖擊性能測試，采用射線法測試四種狀態(tài)接頭殘余應(yīng)力，測試點(diǎn)分布如圖1所示，每個(gè)點(diǎn)的測試方向如表2所示，分析預(yù)熱和焊后熱處理對(duì)ZTC4補(bǔ)焊接頭性能的影響。

表1 ZTC4板材鎢極氬弧焊補(bǔ)焊工藝參數(shù)

圖1 殘余應(yīng)力測試點(diǎn)分布

表2 殘余應(yīng)力測試點(diǎn)測量方向

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 微觀組織分析

對(duì)四種狀態(tài)的接頭質(zhì)量進(jìn)行熒光和X射線檢測，結(jié)果顯示，焊縫中未發(fā)現(xiàn)任何氣孔、裂紋及未熔合缺陷。ZTC4補(bǔ)焊接頭不同狀態(tài)的金相宏觀組織如圖2所示，可以看出焊縫與基體結(jié)合良好，無氣孔、未熔合和裂紋缺陷；同時(shí)發(fā)現(xiàn)較之無預(yù)熱焊接，預(yù)熱焊接的焊縫組織更易形成規(guī)則且大尺寸的柱狀晶。這是因?yàn)閮烧呃鋮s條件、溫度梯度不同，導(dǎo)致焊縫金屬在凝固時(shí)形核位置和生長方向相異。對(duì)于預(yù)熱焊接，溫度梯度最大的方向是由熔合線指向焊縫中心頂部的方向，其他與焊縫接觸位置溫度基本一致，形核生長方向沿著溫度梯度最大方向進(jìn)行，因此形成了如圖2所示的規(guī)則完整的柱狀晶。

圖2 ZTC4補(bǔ)焊接頭不同狀態(tài)的金相宏觀組織

ZTC4補(bǔ)焊接頭預(yù)熱焊接＋焊后熱處理狀態(tài)的接頭組織照片如圖3所示，母材組織由片狀α+片間β相組成，晶粒粗大，焊縫組織由細(xì)針狀α+β相晶界組成，由母材到焊縫，α相尺寸減小、β相數(shù)量增多；在焊縫近母材部位β相數(shù)量最多，這是因?yàn)楹缚p在凝固過程中，該處冷卻速度最快，高溫β相來不及再結(jié)晶形成α相，大量β相得以保留；焊縫中心冷卻速度相對(duì)較慢，高溫β相再結(jié)晶形成大量針狀α′相，晶粒粗大的β相晶界清晰可見。

2.2 力學(xué)性能分析

采用射線法分別對(duì)母材、焊接、預(yù)熱焊接、焊接＋焊后熱處理、預(yù)熱焊接＋焊后熱處理五種狀態(tài)下的接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：母材處于壓應(yīng)力狀態(tài)，試板長度方向（y方向）較寬度方向（x方向）應(yīng)力值總體更?。唤?jīng)過焊接后，x方向和y方向均出現(xiàn)了拉應(yīng)力點(diǎn)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊點(diǎn)與母材交接處，達(dá)784 MPa，該應(yīng)力接近于材料的屈服強(qiáng)度，而拉應(yīng)力是導(dǎo)致補(bǔ)焊裂紋的主要原因，因此補(bǔ)焊的薄弱位置就在焊縫與母材交界處；預(yù)熱焊接后，y方向各點(diǎn)均為壓應(yīng)力，x方向拉應(yīng)力值也較不預(yù)熱焊接時(shí)明顯減小，說明焊前預(yù)熱可有效緩解殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，減緩焊接裂紋傾向；

經(jīng)過焊后熱處理后，各測試點(diǎn)基本為壓應(yīng)力，個(gè)別點(diǎn)拉應(yīng)力值也明顯較小，焊接預(yù)熱+焊后熱處理能夠最大程度地降低焊接殘余應(yīng)力。

圖3 ZTC4補(bǔ)焊接頭預(yù)熱焊接+焊后熱處理狀態(tài)的接頭組織照片

圖4 ZTC4接頭殘余應(yīng)力分布曲線

對(duì)母材和四種狀態(tài)下接頭的室溫沖擊和拉伸性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表3和表4所示。四種狀態(tài)下接頭的沖擊性能均超過了母材，接頭室溫抗拉強(qiáng)度均超過了母材的97％～100％；焊接+熱處理后接頭強(qiáng)度略有下降，這是因?yàn)楹附雍蠛缚p存在較大的殘余拉應(yīng)力，直接進(jìn)行高溫時(shí)效熱處理的應(yīng)力快速釋放過程導(dǎo)致焊縫性能弱化；但預(yù)熱焊接+熱處理后接頭強(qiáng)度有較大提升，達(dá)到1 038 MPa。斷裂發(fā)生在近焊縫區(qū)母材，如圖5所示，可以得出預(yù)熱焊接+熱處理可獲得最優(yōu)的接頭性能。

表3 ZTC4補(bǔ)焊接頭室溫拉伸性能

表4 ZTC4補(bǔ)焊接頭室溫沖擊性能

3 結(jié)論

（1）從母材到焊縫，α相尺寸減小、β相數(shù)量增多；在焊縫近母材部位，β相數(shù)量最多，

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Processing and microstructure properties of ZTC4 joints using TIG technology

SUN Bingbing1，GUO Shaoqing1，ZHAO Hengyue2，CHEN Bingqing1，LI Shengnan1
（1.Beijing Institute of Aeronautical Materials AVIC，Beijing 100095，China；2.Military Representative office of Shenyang Aircraft Corporation，Shenyang 10034，China）

In the paper，for crack and inclusions in the ZTC4 titanium alloy casting，the arc welding repair technology was studied，the microstructure and properties of the joints were analyzed.The study found that，there were not pores and cracks in the joints，the weld microstructure mainly consisted of mass of acicular α′and β phase；it could mostly decrease residual tensile stress with preheating and heat treatment after welding，in order toprevent crack generation；tensile strength at roomtemperature ofthe joints with preheatingand heat treatment after weldingwas best and was equal tobase metal，the impact toughness was higher than base metal.

ZTC4 titanium alloy；arc repair welding；microstructure and properties of joint；residual stress

TG444+.74

A

1001－2303（2016）07－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.22

2015-12-10

孫兵兵（1986—），男，陜西渭南人，碩士，主要從事航空材料的焊接性、焊接材料、焊接技術(shù)研究。