范朝 程宗輝 張志強(qiáng) 程?hào)|海
摘要:在TC6鈦合金上進(jìn)行激光增材TA15粉末試驗(yàn),利用WDW-100試驗(yàn)機(jī)測(cè)量增材修復(fù)后試樣的抗拉強(qiáng)度,利用沖擊韌性試驗(yàn)機(jī)測(cè)量修復(fù)后試樣的沖擊韌性,利用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)觀察分析接頭的力學(xué)性能及接頭顯微組織構(gòu)成。研究結(jié)果表明:TC6損傷激光增材修復(fù)接頭成形良好,接頭界面結(jié)合處無裂紋、氣孔。接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 000 MPa,沖擊韌性可達(dá)27.5 J/cm2,試樣斷裂于靠近TC6母材的熱影響區(qū);TC6激光增材最佳工藝參數(shù)為:激光增材粉末TA15,激光功率1 400 W,掃描速度0.01 m/s,送粉器讀數(shù)low%(英文),載粉氣8 L/min,搭接率40%,光斑直徑2 mm,單熔覆層高度0.3 mm;TC6激光增材接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材組成。焊縫區(qū)主要是細(xì)小的針狀馬氏體;熔合區(qū)半融化的晶粒主要是基底外延生長(zhǎng)的β柱狀晶,并且熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成,晶粒呈“八”字形生長(zhǎng);熱影響區(qū)主要為α'片狀馬氏體。
關(guān)鍵詞:TC6;TA15粉末;熱影響區(qū);熔合區(qū)
中圖分類號(hào):TG456.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-2303(2020)03-0115-05
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.21
0 前言
TC6鈦合金是馬氏體型α+β兩相熱強(qiáng)鈦合金,是目前應(yīng)用最廣泛的Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si系鈦合金,其名義成分為Ti-6Al-1.5Mo-2.5Cr-0.5Fe-0.3Si,使用溫度可達(dá)450 ℃左右[1-4],廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。然而TC6鈦合金制重要承力構(gòu)件在使用過程中存在表面腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷,一般通過激光增材修復(fù)完成,并確保增材修復(fù)接頭性能滿足使用要求。TC6鈦合金結(jié)構(gòu)件屬于關(guān)鍵承力件,價(jià)格貴,采用換新修理成本高、采購周期長(zhǎng),嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。激光焊接具有能量密度高、掃描速度快、熱影響區(qū)小、增材變形小、熔池凈化效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn),因此在航空維修過程中開展激光增材修復(fù)TC6鈦合金材料研究具有廣闊的發(fā)展前景。目前激光增材修復(fù)的研究主要集中在鈦合金、結(jié)構(gòu)鋼、奧氏體不銹鋼等損傷零部件的修復(fù)上。欽蘭云等[5]對(duì)BT20鈦合金鍛件當(dāng)量孔損傷進(jìn)行激光增材修復(fù)試驗(yàn),研究表明增材區(qū)與基材之間形成了致密冶金結(jié)合,Al、Zr、Mo、V合金元素由鍛件基體到激光增材區(qū)均勻分布,無宏觀偏析,硬度分布從基材到增材區(qū)依次提高。熱影響區(qū)組織是由基材的雙態(tài)組織過渡到網(wǎng)籃組織;沉積區(qū)組織為粗大的原始柱狀β晶,晶粒內(nèi)為α/β網(wǎng)籃組織,晶內(nèi)α片層取向隨機(jī)。張志強(qiáng)等[6]采用激光增材修復(fù)30CrMnSiNi2A鋼制零件表面損傷,研究表明熔覆層與基體呈現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合,基體熱影響區(qū)域小,熔覆區(qū)的抗拉強(qiáng)度大于基體強(qiáng)度的80%,熔覆區(qū)材質(zhì)的脆性較基材有所增加。
本研究針對(duì)TC6鈦合金進(jìn)行激光增材修復(fù)試驗(yàn),獲得了質(zhì)量較好的激光增材接頭,并對(duì)工藝參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能和顯微組織轉(zhuǎn)變的影響進(jìn)行分析,為激光增材修復(fù)TC6在航空維修中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
1 試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)材料為TC6棒材,填充材料為TA15球形合金粉末,粒徑為60~120 μm,材料的主要成分如表1所示,主要物理性能如表2所示,試驗(yàn)工藝參數(shù)如表3所示。材料預(yù)處理:激光熔覆前將TC6基體表面打磨粗化,之后用無水乙醇清洗基體材料,去除表面油污。試驗(yàn)在激光熔覆成套設(shè)備(LFR-M-Ⅱ)上完成。增材修復(fù)合金粉末經(jīng)光內(nèi)同軸送粉噴嘴送進(jìn)激光熔池。為防止氧化,采用高純氬氣進(jìn)行保護(hù)。試驗(yàn)件上預(yù)制槽型缺口如圖1、圖2所示,利用激光增材修復(fù)設(shè)備進(jìn)行激光增材修復(fù)試驗(yàn),并機(jī)械加工制作拉伸試樣、沖擊試樣后進(jìn)行X射線探傷,檢測(cè)接頭內(nèi)部缺陷情況。增材修復(fù)層位于試樣的中心。拉伸試驗(yàn)在WDW-100試驗(yàn)機(jī)上完成,沖擊試驗(yàn)在沖擊試驗(yàn)機(jī)上完成,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
2 試驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1 激光增材熱輸入對(duì)TC6激光增材接頭力學(xué)性能的影響
本試驗(yàn)的目的是通過設(shè)置激光功率、掃描速度來研究激光增材熱輸入對(duì)TC6接頭抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性的影響(試驗(yàn)中固定送粉器讀數(shù)low%(英文),載粉氣8 L/min,搭接率50%,光斑直徑2 mm;單道熔覆層高度不大于0.3 mm)。由表4可知,修復(fù)試樣均斷裂于靠近母材的熱影響區(qū)。在修復(fù)粉末一定的情況下,TC6激光增材試樣力學(xué)性能主要受激光熱輸入影響,即受激光功率、掃描速率等因素影響。
不同激光熱輸入對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響如圖3所示??梢钥闯?,隨激光熱輸入的增加,接頭抗拉強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)激光熱輸入為80 J/mm時(shí),因熱輸入較小,熔合區(qū)成形不佳,抗拉強(qiáng)度僅為800 MPa,為TC6母材基體抗拉強(qiáng)度的73%。當(dāng)激光熱輸入為140 J/mm時(shí),TC6接頭抗拉強(qiáng)度為1 000 MPa,可達(dá)母材基體抗拉強(qiáng)度的92.2%;當(dāng)激光熱輸入為200 J/mm時(shí),抗拉強(qiáng)度為900 MPa,說明激光熱輸入過大,激光熱累積效應(yīng)使得接頭組織變?yōu)榇执蟮闹鶢罹?,由于熱脹冷縮導(dǎo)致接頭殘余應(yīng)力變大,力學(xué)性能降低。
不同激光熱輸入對(duì)接頭沖擊韌性的影響如圖4所示。由圖可知,接頭的沖擊韌性隨著激光熱輸入的增加呈先突增后緩慢下降的特點(diǎn)。激光熱輸入為200 J/mm時(shí),接頭沖擊韌性較低,原因是過大的激光熱輸入使基體熔化過多,導(dǎo)致基體元素?zé)岱瓭L至增材修復(fù)層中,同時(shí)接頭在組織轉(zhuǎn)變過程中晶粒粗大,此時(shí)熔池還伴隨著飛濺,且增材修復(fù)層、熱影響區(qū)附近顯示為淡黃色,在較大的熱輸入作用下,熔池金屬處于熔融態(tài)時(shí)間延長(zhǎng),增加了液態(tài)金屬與氧氣接觸時(shí)間,增大了接頭表面氧化傾向和熱變形,進(jìn)而導(dǎo)致TC6增材試樣殘余應(yīng)力大,沖擊韌性較低;隨著激光熱輸入的降低,增材修復(fù)成形良好,熔合區(qū)成形較好,晶粒細(xì)小,接頭沖擊韌性逐漸提高。當(dāng)激光熱輸入為140 J/mm時(shí),接頭沖擊韌性達(dá)到最大27.5 J/cm2。
綜上所述,TC6激光增材修復(fù)最佳參數(shù)為:固定送粉器讀數(shù)low%(英文),載粉氣8 L/min,搭接率40%,光斑直徑2 mm,激光功率1 400 W,激光掃描速度0.01 m/s。在此工藝參數(shù)下對(duì)所獲得接頭進(jìn)行顯微組織分析,并對(duì)鈦合金在不同激光熱輸入下的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行分析。
2.2 激光增材修復(fù)TC6合金的顯微組織
2.2.1 最優(yōu)工藝參數(shù)下熔合區(qū)及熱影響區(qū)組織分析
TC6激光增材接頭熔合區(qū)與熱影響區(qū)低倍微觀組織照片和掃描電鏡微觀組織照片分別如圖5、圖6所示。由圖可知,熔合區(qū)、熱影響區(qū)均未觀察到裂紋和氣孔。圖5b中有以熔合區(qū)半融化的晶粒為基底外延生長(zhǎng)的β柱狀晶,并且熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成,晶粒呈“八”字形生長(zhǎng),其邊界依稀可見。這是由于鈦合金的導(dǎo)熱性能較差,對(duì)過熱十分敏感,晶粒的生長(zhǎng)方式由激光增材熱源作用特點(diǎn)決定。增材區(qū)這種粗大的晶粒將會(huì)嚴(yán)重增加組織的脆性。進(jìn)一步放大觀察熔合區(qū)微觀組織(見圖6a),可見柱狀晶內(nèi)部細(xì)小的針狀馬氏體呈網(wǎng)籃狀分布。這是因?yàn)榧す夂附舆^程中熔合區(qū)金屬被加熱到相變點(diǎn)以上,且焊后冷卻度很快,導(dǎo)致相變過程中以柱狀晶形式存在的β相來不及轉(zhuǎn)變成α相,而是發(fā)生了β→α'無擴(kuò)散形轉(zhuǎn)變,α'是合金元素在α相中來不及擴(kuò)散形成的過飽和固溶體,又稱鈦馬氏體。在激光增材修復(fù)時(shí)溫度和應(yīng)力的綜合作用下,形成網(wǎng)籃狀亞結(jié)構(gòu),其塑性、蠕變抗力及高溫持久強(qiáng)度等綜合性能都較好。
熱影響區(qū)是在激光熱源的作用下,增材區(qū)兩側(cè)母材發(fā)生組織變化的區(qū)域。由于激光增材修復(fù)速度快,能量密度集中,所以熱影響區(qū)非常窄,為α+β+α'組織(見圖5c),與在β轉(zhuǎn)變溫度以下淬火的組織相似,形狀為細(xì)小的馬氏體針,α'片狀集團(tuán)的數(shù)量較多。這是由于此處熱影響區(qū)的溫度低于熔合區(qū),使得α相并未完全轉(zhuǎn)變。而已轉(zhuǎn)變的α相因高溫停留時(shí)間短,β相沒有發(fā)生嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大,且相變時(shí)的形核較多,于是形成大量的細(xì)小β相晶粒,在快速冷卻時(shí)形成了大量細(xì)小的馬氏體。進(jìn)一步放大熱影響區(qū)顯微組織(見圖6b)發(fā)現(xiàn),熱影響區(qū)的針狀馬氏體較熔合區(qū)更少更細(xì),這是因?yàn)檫h(yuǎn)離熔合區(qū)的熱影響區(qū)中的加熱溫度沒有超過相變點(diǎn),發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的β相少,高溫停留時(shí)間短,不易發(fā)生晶粒的異常長(zhǎng)大。
2.2.2 激光熱輸入對(duì)微觀組織的影響
鈦合金的導(dǎo)熱性能較差,對(duì)激光熱循環(huán)非常敏感,因此激光熱輸入的改變會(huì)對(duì)增材區(qū)和熱影響區(qū)的組織產(chǎn)生很大影響。
采用不同的激光熱輸入時(shí),增材區(qū)中部柱狀晶的尺寸變化不明顯,而晶粒內(nèi)部針狀馬氏體的尺寸和形態(tài)有所不同,如圖7所示。隨著熱輸入的增大,針狀馬氏體的數(shù)量增多,分布更加密集。且高的線能量下馬氏體針更加粗大,分布更加散亂。分析原因:一方面熱輸入量的增大導(dǎo)致實(shí)際增材溫度升高,增材區(qū)組織在β轉(zhuǎn)化溫度以上的停留時(shí)間變長(zhǎng),因此高線能量時(shí)增材區(qū)針狀馬氏體組織比小線能量的尺寸更大。二是隨著熱輸入的增大,合金元素(尤其是Al)的燒損嚴(yán)重,使得β相的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低,使得β相容易發(fā)生孿生變形而形成取向各異的馬氏體針,大量馬氏體針交互生長(zhǎng)造成了分布更加散亂的網(wǎng)籃狀組織。增材區(qū)精細(xì)結(jié)構(gòu)中這種雜亂無序的排列方式對(duì)提高接頭性能影響明顯,因?yàn)樵谙嗤冃瘟肯?,變形?huì)分散在更多的板條晶粒內(nèi)部進(jìn)行,晶粒內(nèi)部和晶界附近的應(yīng)變度相差較小,變形較均勻,引起的應(yīng)力集中也減小。此外晶界的曲折性也有利于阻礙裂紋的傳播。當(dāng)激光熱輸入量選擇適中時(shí),一方面可以使得馬氏體的排列接近雜亂無章狀態(tài),增材區(qū)變形更加均勻,且有效阻礙裂紋的傳播;另一方面,相對(duì)于大熱輸入量,激光沉積時(shí)晶粒更加細(xì)小,對(duì)于增材區(qū)的塑性有所改善。
3 結(jié)論
(1)TC6損傷激光增材接頭成形良好,接頭界面結(jié)合處無裂紋、氣孔。接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 000 MPa,沖擊韌性可達(dá)27.5 J/cm2,試樣斷裂于靠近TC6母材的熱影響區(qū)。
(2)TC6激光增材最佳工藝參數(shù)為:激光增材粉末TA15,激光功率1 400 W,掃描速度0.01 m/s,送粉器讀數(shù)low%(英文),載粉氣400 L/h,搭接率40%,光斑直徑2 mm,單熔覆層高度0.3 mm。
(3)TC6激光增材接頭由焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)、母材組成。焊縫區(qū)主要是細(xì)小的針狀馬氏體;熔合區(qū)半融化的晶粒主要是基底外延生長(zhǎng)的β柱狀晶,并且熔合區(qū)由粗大的柱狀晶組成,晶粒呈“八”字形生長(zhǎng);熱影響區(qū)主要為α'片狀馬氏體。
參考文獻(xiàn):
[1] 趙先存,宋為順,楊志勇,等. 高強(qiáng)度超高強(qiáng)度不銹鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.
[2] 羅永贊. lCr15Co14M05VN 沉淀硬化不銹鋼的熱處理與組織和性能間關(guān)系的研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),1983(9):70-80.
[3] 吳奎林,譚俊哲,曹鐵山. 熱處理工藝對(duì)1Cr15Ni4Mo3N鋼組織和性能的影響[J]. 理化檢測(cè):物理分冊(cè),2012,48(2):76-82.
[4] 古立新,金建軍. 回火溫度對(duì)lCrl5Ni4M03N鋼組織和性能的影響[J]. 材料工程,2007(1):7-10.
[5] 欽蘭云,楊光,王維,等. 激光沉積修復(fù)BT20合金的顯微組織和力學(xué)性能[J]. 強(qiáng)激光與粒子束,2014,26(2):294298.
[6] 張志強(qiáng),程宗輝,曹強(qiáng),等. 30CrMnSiNi2A超強(qiáng)鋼激光熔覆修復(fù)試驗(yàn)研究[J]. 裝備環(huán)境工程,2016,13(1):62-67.