羅添元，周琦，彭勇，郭順，向陽

(南京理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

BT22鈦合金是俄羅斯研制的高強鈦合金，中國的牌號是TC18。其名義成分為Ti5Al5Mo5V1Cr1Fe，是一種α+β雙相鈦合金，合金相變點在850 ℃～870 ℃。其綜合性能優(yōu)異，特點是強度高、斷裂韌性高并且具有較高的淬透性。BT22鈦合金是目前代表國際先進水平并在飛機上獲得實際應(yīng)用的高強鈦合金之一，適于作為大型厚截面航空構(gòu)件,特別適用于制造飛機機身及起落架結(jié)構(gòu)的大型鍛件[1]，是飛機特殊承力部件的優(yōu)選結(jié)構(gòu)材料[2]。真空電子束焊接作為一種高能束焊接技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空材料的焊接,其焊接接頭具有深寬比大、熱影響區(qū)窄、變形小等優(yōu)點[3-4]。但是電子束焊接同樣是一個復(fù)雜的熱物理化學(xué)冶金過程，會造成焊接接頭部位材料組織和力學(xué)組織性能的不均勻性[5]。本文通過對BT22電子束焊接工藝研究，分析了不同工藝條件下焊縫的宏觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能，可以為TB22鈦合金電子束焊接工藝的選擇提供合理的依據(jù)并應(yīng)用于實際生產(chǎn)中。

1 試驗方法

取2塊70mm×35mm×4mm的BT22焊接試板，并做焊前打磨、酸洗，電子束沿2塊試板對接的中心線施焊。

實驗采用真空電子束焊機(ZD60-6A 5001型)。電子束參數(shù)設(shè)定：高壓U=-60 kV，燈絲設(shè)定I燈=650 mA，運動速度v=3 mm/s,工作距離D=295mm。通過調(diào)節(jié)焊接束流Ib，調(diào)整聚焦電流If，研究工藝參數(shù)對BT22電子束焊接宏觀形貌的影響，從而確定出合適的工藝參數(shù)值。從焊接試板上線切割切取試樣在真空爐中進行焊后退火處理，觀察比較焊態(tài)和退火態(tài)不同條件下焊接接頭的金相組織。

金相試樣制備過程包括線切割、砂紙打磨和拋光，拋光采用W1金剛石研磨膏。腐蝕液為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在OLYMPUS GX41倒置光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織并照相。實驗用HVS-1000Z數(shù)顯顯微硬度計對焊接試樣進行顯微硬度測試。室溫拉伸在SANS CMT 5105萬能試驗機上進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

根據(jù)鈦合金電子束焊接的線能量可以計算出所需束流的粗略值，為減少試驗次數(shù)，由正交試驗結(jié)果可以得到如下的參數(shù)值范圍。

1)束流Ib=24mA，If=678mA

從焊縫正反面宏觀焊縫成形情況可以看出焊件的成形情況較差，焊件焊接時飛濺較大，焊縫正面存在明顯的咬邊缺陷。由焊件反面可以看出焊縫已被焊漏。

2)束流Ib=23mA,If=681mA

焊接束流稍大，試板焊透，焊縫正面存在輕微咬邊缺陷。

3)束流Ib=22mA，If=680mA

焊縫仍不夠飽滿,但由焊縫反面可以得出焊件焊漏程度良好，可以初步認為為剛焊透情況。

4)束流Ib=21mA，If=680mA

由焊縫的正反面可以看出正面焊縫較寬，焊縫的成形較差，飛濺比較明顯，由反面可以看出焊件并未被焊透，電流偏小。

由以上試驗可以得到，Ib=22mA，If=680mA為最佳工藝參數(shù)值。

2.2 金相組織

采用Ib=22mA的焊板制作金相試樣進行金相觀察。金相試樣制備過程包括砂紙打磨和拋光，拋光采用W1金剛石研磨膏。腐蝕液為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶7，在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，將未經(jīng)熱處理與熱處理狀態(tài)下的顯微組織進行對比。焊后熱處理制度為真空狀態(tài)下450 ℃退火處理。

圖1給出了BT22焊接接頭未經(jīng)熱處理狀態(tài)的顯微組織。焊縫區(qū)域的柱狀晶粗大較為明顯，焊縫附近晶粒粗化嚴重。焊縫組織為亞穩(wěn)態(tài)β相，由于電子束熱循環(huán)非?？?，焊態(tài)下看不到晶粒析出。母材β晶粒內(nèi)存在著細小的網(wǎng)籃狀α片，被β晶粒包圍著。晶界α片較粗且有不同程度的斷續(xù)。熱影響區(qū)在焊接過程中的高溫下部分固溶，之前的α片輪廓變粗。

圖1 BT22電子束接頭焊態(tài)組織

圖2給出了BT22焊接接頭退火后的顯微組織。在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒中析出細小的α片，同一集束的α片的趨向為各向同性。具有強化和降低β過飽和的作用。母材的晶內(nèi)α片粗大。

圖2 TC18電子束接頭焊后退火組織

2.3 硬度試驗

對BT22對接束流Ib=22mA的退火處理后的試樣進行硬度試驗。試樣打點如圖3所示，沿圖3所繪1、2兩條線進行打點。實線1在垂直于焊縫上等間距打點，具體打點是按照點間距1mm，打點19個。實線2是在焊縫上等距離打點，點間距是0.5mm，打點7個。

圖3 打點區(qū)域

實線1硬度值的總體變化折線圖用origin制圖表示，如圖4所示。

圖4 垂直于焊縫上直線1硬度曲線

實線2硬度值的總體變化折線圖(從正面到反面，正面距離為正)用origin制圖表示，如圖5所示。

圖5 焊縫上直線2硬度曲線

由圖5可以看出焊縫處硬度值在275 HV1左右，BT22鈦合金母材的硬度值高于焊縫區(qū)域。

2.4 拉伸性能

從參數(shù)Ib=22mA退火后的焊接試板上取2個拉伸試樣進行拉伸性能測試。由于BT22鈦合金硬度較高，拉伸試驗機上的普通夾具無法裝夾，設(shè)計了一套夾具滿足試驗要求。拉伸試樣也與普通的試樣不同,如圖6所示。

圖6 夾具與拉伸試驗

拉伸試驗結(jié)果如表1所示。

表1 拉伸試驗結(jié)果

將2次經(jīng)過熱處理的拉伸試驗得到的抗拉強度取平均值，得到接頭平均拉伸性能為938.4MPa。

3 結(jié)語

1)由焊縫的宏觀形貌可以獲得最佳的焊接工藝參數(shù)為高壓U=-60 kV，燈絲設(shè)定I燈=650 mA，運動速度v=3mm/s,工作距離D=295mm，電子束流Ib=22mA，聚焦電流If=680mA。

2)焊后熱處理可以改善焊縫的組織, 在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒中析出細小的α片，同一集束的α片的趨向為各向同性。α片具有強化和降低β過飽和的作用。母材的晶內(nèi)α片粗大。

3)焊后熱處理的BT22鈦合金母材的硬度值高于焊縫區(qū)域。接頭平均拉伸性能為938.4 MPa。

[1] 王金雪,袁鴻,余槐,等. 冷卻速度對TC18鈦合金焊接熱模擬均溫區(qū)組織和性能的影響[J]. 航天制造技術(shù),2008(3):19-21.

[2] 中國航空信息中心《世界飛機手冊》編寫組．世界飛機手冊2000[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[3] 戚云蓮,洪權(quán),劉向,等. 鈦及鈦合金焊接技術(shù)[J]. 鈦工業(yè)進展,2004,21(6):25-29.

[4] 王亞軍. 電子束焊接技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù),2004(增刊):20-25.

[5] 高瑩，于順兵，李德富，等. 熱處理制度對TB2鈦合金焊接接頭性能的影響[J]. 稀有金屬，2005，29(5):631-634.