王 群 王鯤鵬 王端志 康 黎 戎 磊

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所,北京 100076)

激光熔化沉積快速成形TC4鈦合金的焊接性能

王 群1王鯤鵬1王端志1康 黎2戎 磊2

(1 北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076) (2 航天材料及工藝研究所,北京 100076)

文 摘 為了探索激光熔化沉積快速成形技術(shù)制備TC4鈦合金的焊接性能，分別采用電子束焊、激光焊兩種方法制備接頭試樣，并借助金相、硬度試驗等方法獲得接頭力學(xué)性能、顯微組織及硬度。結(jié)果表明：兩種焊接方法得到的接頭抗拉強度最高達(dá)953 MPa，焊接系數(shù)均>0.9；激光和電子束焊接焊縫為網(wǎng)籃狀α′相馬氏體組織，熱影響區(qū)為α相和針狀馬氏體組織組成。激光熔化沉積快速成形TC4鈦合金和傳統(tǒng)工藝制造的TC4鈦合金在焊接特性方面表現(xiàn)相當(dāng)。

激光熔化沉積快速成形，鈦合金，焊接特性

0 引言

激光熔化沉積快速成形(LMD)技術(shù)，利用快速原型制造(RPM)技術(shù)在無需任何模具和工裝條件下快速制造任意復(fù)雜形狀零件的全數(shù)字化快速制造基本原理，以新材料快速凝固激光冶金制備技術(shù)為手段，通過金屬材料的激光逐層熔化沉積，直接由零件CAD模型一步完成高性能“近終形”復(fù)雜金屬零件的快速成形，是一種代表著先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向、將高性能結(jié)構(gòu)材料制備與“近終形”復(fù)雜零件直接成形有機融為一體的無模、非接觸、數(shù)字化成形制造新技術(shù)[1]。LMD技術(shù)解決了以往制造復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件存在的工藝繁雜、制造成本高、材料利用率低、生產(chǎn)周期長等缺點。迄今，快速成形等“3D打印”技術(shù)越來越受到各行各業(yè)的青睞與重視，并在一些工程應(yīng)用中替代了傳統(tǒng)鑄造或鍛造鈦合金[2]。目前，LMD成形鈦合金的研究主要集中在增材制造成形技術(shù)方面，而關(guān)于其焊接特性的研究，國內(nèi)外鮮見相關(guān)報道。為了探索LMD工藝成形TC4鈦合金的焊接性能，本文選用LMD與傳統(tǒng)工藝成形TC4鈦合金，分別采用電子束焊、激光焊兩種焊接方法，對比兩種工藝成形TC4鈦合金的接頭拉伸性能、顯微組織、顯微硬度，以期獲得基于LMD增材制造技術(shù)TC4鈦合金的焊接特性。

1 試驗

1.1 材料與設(shè)備

材料為LMD工藝制備的退火態(tài)TC4鈦合金及市售退火態(tài)TC4鈦合金板材。

焊接方法包括電子束焊、激光焊兩種，其焊接設(shè)備分別為26M3真空電子束焊機、光纖激光器。

1.2 試樣制備

按表1中相關(guān)工藝參數(shù)制備焊接接頭，對接頭取樣并加工，其中試樣長度方向為激光熔化沉積增高方向。對接頭試樣進(jìn)行編號，LMD成形TC4合金試樣編號記為L，傳統(tǒng)工藝成形TC4合金板材試樣編號記為B；激光焊接編號記為J，電子束焊接編號記為D。

表1 兩種焊接方法工藝參數(shù)

1.3 性能測試

焊接完成后，對試樣焊縫進(jìn)行X射線檢測，均達(dá)到GJB1718A—2005 I級焊縫要求。按照GB/T228—2002要求進(jìn)行室溫、高溫(500℃)拉伸性能測試；按照GB/T 4340.1—2009要求進(jìn)行接頭組織顯微硬度測試。

2 結(jié)果及討論

2.1 接頭拉伸性能

兩種工藝成形TC4鈦合金母材以及接頭試樣的拉伸性能如表2所示，表中數(shù)據(jù)均為6個子樣的平均值。

表2 TC4母材及焊接接頭拉伸性能

圖1 同種焊接方法焊接接頭抗拉強度對比

對于同一種焊接方法，“L+B”和“L+L”焊接后室溫和高溫下抗拉強度變化趨勢如圖1所示?？梢钥闯?，兩種材料之間的接頭力學(xué)性能差異很小，但“L+B”接頭的室溫及高溫拉伸性能明顯要高于“L+L”間的拉伸性能。并且通過表2可以看出接頭斷裂位置均在母材(LMD)側(cè)，這主要和其焊接過程中形成的顯微組織差異相關(guān)。

圖2 不同焊接方法焊接接頭抗拉強度對比

采用不同焊接方法，焊接后接頭室溫和高溫下抗拉強度變化趨勢如圖2所示，可以看出，電子束焊試樣的抗拉強度比激光焊接試樣略高一些，但相差不超過5%，通過計算可以得出兩種方法的接頭焊接系數(shù)均大于0.9。

2.2 接頭顯微組織

觀察兩種工藝TC4鈦合金母材及焊接接頭顯微組織，如圖3、圖4所示。如圖3(a)，具有明顯的網(wǎng)籃組織，其中α相呈網(wǎng)籃狀交織分布，該組織的抗蠕變性能、沖擊和斷裂韌性較好，但塑性稍差；圖3(b)為典型的α+β雙相組織，其基體相為α相，原始β晶已充分破碎，彌散分布，該組織強度和韌性較高，但熱穩(wěn)定性較差[3]。兩者母材組織形貌的不同，主要取決于合金成分、成形工藝和熱處理制度的差異。

圖3 TC4鈦合金母材顯微組織

Fig.3 Microstructures of TC4 alloy base metal

圖 4 TC4鈦合金焊接接頭顯微組織

觀察“L+L”和“L+B”激光焊接接頭顯微組織，可以看出兩者焊縫中心均形成網(wǎng)籃狀馬氏體組織[圖4(b)和(d)]，主要是因為激光焊接時，處于高溫的β相快速冷卻時，原始的β晶粒再結(jié)晶，晶粒內(nèi)析出大量的細(xì)針狀過飽和α′相馬氏體組織。焊接接頭斷裂位置在LMD母材側(cè)，這也表明了α′相馬氏體的強度高于母材的初始α相和β相組織[4]。對比接頭兩側(cè)熱影響區(qū)[圖4(e)和(f)]，可以看出，“L+B”熔合區(qū)兩側(cè)組織表現(xiàn)出一定的差異性，主要是因為LMD和板材母材組織差異造成的。板材側(cè)母材組織為α+β雙相組織，在焊接過程中，β晶粒轉(zhuǎn)變成α′相，同一個晶粒內(nèi)針狀α′相取向基本相同，β相晶界清晰可見。焊縫在冷卻過程中，α′首先以靠近熔合線附近未熔的固態(tài)金屬為基向焊縫中心生長，形成馬氏體，由于焊縫冷卻速度較快，過冷度大，導(dǎo)致焊縫中心呈比較細(xì)小的針狀馬氏體組織。熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)的作用后組織明顯變化，在距離焊縫中心比較近區(qū)域組織形成較焊縫更細(xì)小的針狀馬氏體α′，主要是因為該區(qū)域溫度要比焊縫的溫度低，且冷卻速度要比焊縫的大所致。距焊縫較遠(yuǎn)靠近母材的區(qū)域受熱后，有部分α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，部分未發(fā)生轉(zhuǎn)變，受到焊接熱循環(huán)作用后β粒長大，冷卻時只在局部出現(xiàn)少量α′相，組織為α+α′(少量)。

觀察電子束焊接接頭顯微組織，其表現(xiàn)特征和激光焊接接頭顯微組織規(guī)律基本一致[5]，主要區(qū)別在于由于激光焊接的激光束能量密集，所以其熱影響區(qū)相對電子束較窄。

通過分析比較，可以得出，兩種鈦合金材料除了個體母材組織不同外，焊縫顯微組織間無顯著差異。

2.3 接頭顯微硬度分布

對TC4激光焊、電子束焊試樣分別進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 接頭區(qū)域顯微硬度分布

從圖5可以看出，接頭各區(qū)域(包括焊縫和熱影響區(qū))的顯微硬度均高于母材平均硬度，形成了“軟+硬+軟”三明治式的硬度分布結(jié)構(gòu)[6〗[7]。圖6中硬度分布與焊接過程中加熱和冷卻過程中β相的過冷轉(zhuǎn)變有關(guān)。加熱和冷卻速度較快使得焊縫處形成了大量細(xì)長的α′相，α′相交錯排列，具有高的位錯密度，且孿晶針狀組織造成了大量的相界，因此使得接頭區(qū)域的顯微硬度高于母材基體；從焊縫中心到熱影響區(qū)，硬度不斷降低，這是由于熱影響區(qū)冷卻速度相對緩慢，α′相數(shù)量相對減少；從圖6左側(cè)可以看出，LMD側(cè)母材的硬度高于板材側(cè)，還是因為兩者顯微組織不同所造成的差異。

總體來看，“L+B”和“L+L”兩種狀態(tài)焊縫區(qū)硬度無明顯差異。

3 結(jié)論

(1)LMD成形TC4鈦合金具有優(yōu)異的焊接性能，通過兩種焊接方法得到的接頭拉伸性能都較好，焊接系數(shù)均大于0.9。LMD與傳統(tǒng)工藝成形TC4鈦合金之間焊接接頭的室溫及高溫拉伸性能明顯要高于LMD成形TC4鈦合金自身的焊接。

(2)激光和電子束焊接焊縫為網(wǎng)籃狀α′相馬氏體組織，熱影響區(qū)為α相和針狀馬氏體組織組成。但“L+B”熔合區(qū)兩側(cè)組織表現(xiàn)出一定的差異性，主要在于兩者母材組織不同所致。

(3)LMD成形的TC4鈦合金接頭焊縫組織冶金效果良好，焊縫及熱影響區(qū)的顯微硬度普遍高于母材基體硬度。

(4)綜合分析，基于LMD成形的TC4鈦合金對焊接拉伸性能、顯微組織、硬度分布沒有顯著影響，和傳統(tǒng)工藝制造的TC4鈦合金焊接特性表現(xiàn)相當(dāng)。

[1] 王華明,李安,張凌云,等.激光熔化沉積快速成形TA15鈦合金的力學(xué)性能[J].航空制造技術(shù),2008(7):26-29.

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[7] 張翥,王群嬌,莫畏.鈦合金的金屬學(xué)與熱處理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

Welding Characteristics of Titanium Alloy TC4 Fabricated by Laser Melting Deposition Manufacturing

WANG Qun1WANG Kunpeng1WANG Duanzhi1KANG Li2RONG Lei2

(1 Beijing Institute of Astronautical System Engineer, Beijing 100076)(2 Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology, Beijing 100076)

In order to study the welding mechanical properties of titanium alloy TA15 fabricated by laser melting deposition manufacturing, the specimen of welding joints were welded using electron beam and laser beam to obtain the welding mechanical properties, microstructure and microhardness by metallographic test, hardness test etc.. The results show that the highest tensile strength of two different welding ways can reach 953 MPa and the welding coefficient is greater than 0.9. Furthermore, the microstructure is mainly α′ basket-weave martensite structures; and the heat affected zone is consisted of α phase and an acicular structure. Finally, titanium alloy TC4 fabricated by laser melting deposition manufacturing performs similar welding characteristics with that by traditional manufacturing.

Laser melting deposition manufacturing, Titanium alloy, Welding characteristics

2017-06-12

王群，1987年出生，碩士，工程師，研究方向為殼體及特殊功能結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：wangqun_calt@163.com

TG456.3

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.013