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        時(shí)效態(tài)TC17焊接后不同熱處理溫度的力學(xué)性能

        2015-05-31 08:48:48中航工業(yè)成都發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司張校宇
        航空制造技術(shù) 2015年17期
        關(guān)鍵詞:沖擊韌性母材室溫

        中航工業(yè)成都發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限公司 何 玲 喬 雷 張校宇

        TC17合金是一種富β的α+β鈦合金,其名義成分為Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr,具有強(qiáng)度高、斷裂韌性好、淬透性高和鍛造溫度寬等一系列優(yōu)點(diǎn),能夠滿足損傷容限設(shè)計(jì)的需要和高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性及低成本制造的要求,特別適用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片、鼓筒等零件[1]。

        目前由于無(wú)損探傷的局限性,固溶態(tài)下TC17采取超聲波探傷會(huì)出現(xiàn)較高的雜波,無(wú)法確切地判斷內(nèi)部質(zhì)量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,而時(shí)效態(tài)TC17則可避開無(wú)損探傷的局限性,可有效檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        1 試驗(yàn)來(lái)源

        為避免無(wú)損探傷的局限性,我國(guó)某新型高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤件采用的設(shè)計(jì)方案是將時(shí)效態(tài)下TC17進(jìn)行真空電子束焊接。從制造工業(yè)角度看,一種新型材料的應(yīng)用前景不僅取決于材料自身的性能,同時(shí)也取決于其加工性能。由于當(dāng)前無(wú)損探傷技術(shù)的限制,故采用時(shí)效態(tài)下TC17進(jìn)行真空電子束焊接。

        2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

        一般來(lái)講,時(shí)效態(tài)下進(jìn)行焊接的接頭力學(xué)性能損失較大,由于TC17材料自身特性,焊接后采用不同熱處理溫度改變組織狀態(tài)以獲得較好的綜合力學(xué)性能,達(dá)到期望的使用要求。

        3 試驗(yàn)方案

        試驗(yàn)采用厚度為17mm的TC17鍛件,β相鍛造工藝,固溶溫度800℃,4h,水冷;時(shí)效溫度625℃,(1~4)h,水冷或爐冷,焊接尺寸規(guī)格為500mm×160mm×17mm,材料具體化學(xué)成分見表1。焊接接頭為對(duì)接焊,電子束焊接,采用下聚焦,具體焊接參數(shù)見表2。

        表1 TC17材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

        焊接后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)(目視、熒光、X光)合格后,選擇焊縫中段區(qū)域作為組織觀察試樣,采取線切割,經(jīng)機(jī)械打磨、拋光、腐蝕制備金相試樣;采用光學(xué)顯微鏡觀察組織形態(tài);室溫和400℃的拉伸試驗(yàn),室溫沖擊試驗(yàn)。

        4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

        (1)焊接后先采用550℃的熱處理,隨后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),結(jié)果顯示沖擊韌性的平均值為4.34J,不到母材的20%;

        (2)將焊后熱處理溫度調(diào)整為580℃,其沖擊韌性的平均值為4.43J,仍沒(méi)有太大的改善;

        (3)經(jīng)過(guò)上述550℃、580℃的焊后熱處理,力學(xué)性能改善雖不明顯,但有改善的趨勢(shì),故焊后繼續(xù)調(diào)整溫度600℃、620℃、640℃熱處理,其沖擊韌性的平均值為5.67J、6.67J、7.0J。

        5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

        5.1 焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試

        母材在室溫、400℃時(shí)的力學(xué)性能見表3。

        (1)焊接接頭不同熱處理溫度后室溫。拉伸性能測(cè)試室溫拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。幾種不同焊后熱處理溫度的拉伸試樣均斷在母材上,接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊后熱處理溫度(低于時(shí)效溫度625℃)呈升高趨勢(shì),超過(guò)時(shí)效溫度625℃的熱處理溫度后又呈下降趨勢(shì);在600℃時(shí),強(qiáng)度(如圖1所示)上升較緩,塑性(如圖2所示)急劇下降,且試樣斷裂在焊縫中間,由于斷裂的異常性,通過(guò)對(duì)斷口橫、縱截面的微觀組織分析,整個(gè)斷裂為脆性斷裂且有裂紋源,可能是焊接接頭存在的微缺陷導(dǎo)致的脆性斷裂。

        圖2 室溫拉伸塑性Fig.2 Tensile plastic of samples in room temperature

        表3 母材的力學(xué)性能數(shù)據(jù)(平均值)

        表4 接頭的室溫拉伸數(shù)據(jù)(平均值)

        圖1 室溫拉伸強(qiáng)度Fig.1 Tensile strength of samples in room temperature

        (2)焊接接頭不同熱處理溫度后400℃時(shí)拉伸性能測(cè)試。400℃拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。從圖3、圖4可看出,焊接接頭400℃時(shí)的強(qiáng)度比較室溫下的強(qiáng)度下降了,但仍能達(dá)到母材的90%;塑性在580℃時(shí)達(dá)到最高值,而后隨著焊后熱處理的溫度增加而下降。在600℃的焊后熱處理接頭的力學(xué)性能出現(xiàn)異常,強(qiáng)度塑性下降急劇;對(duì)接頭斷口進(jìn)行顯微分析,斷口無(wú)韌窩狀是典型的脆斷且有晶界微裂紋存在,室溫拉伸在600℃時(shí)也出現(xiàn)異常。根據(jù)上述分析,可能在600℃焊后熱處理是敏感溫度導(dǎo)致晶界產(chǎn)生微缺陷而引起強(qiáng)度、塑性的急劇下降。

        (3)焊接接頭不同熱處理溫度后室溫沖擊數(shù)據(jù)見表6。從圖5中可以看出,隨著焊后熱處理溫度地升高,沖擊吸收功得到明顯改善,最高可達(dá)母材的30%;證明時(shí)效態(tài)下TC17焊接后熱處理溫度對(duì)沖擊韌性有較大地影響。

        圖3 400℃拉伸強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength of samples in 400℃

        圖4 400℃拉伸塑性Fig.4 Tensile plastic of samples in 400℃

        表5 接頭的400℃拉伸測(cè)試數(shù)據(jù)(平均值)

        表6 接頭的室溫沖擊數(shù)據(jù)(平均值KU2/J)

        圖5 室溫沖擊吸收功Fig.5 Impact ductility of samples in room temperature

        6 試驗(yàn)結(jié)論

        (1)TC17在時(shí)效態(tài)下電子束焊焊接性能較好,室溫、400℃下的強(qiáng)度塑性與母材相當(dāng),但沖擊韌性較差;620℃相比較其它熱處理溫度是較為理想的焊后熱處理溫度,其強(qiáng)度、塑性、韌性等綜合力學(xué)性能較好。

        (2)TC17在時(shí)效態(tài)下電子束焊接后進(jìn)行620℃的去應(yīng)力熱處理,盡管沖擊韌性較好,也僅為母材的30%左右。

        (3)由于接頭在焊后600℃熱處理其室溫、400℃下的強(qiáng)度、塑性出現(xiàn)異常,需進(jìn)一步研究焊后600℃熱處理對(duì)其力學(xué)性能的影響原因。

        [1] 《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì) 中國(guó)航空材料手冊(cè)第2版.鈦合金銅合金(第4卷),2002.

        [2] 季亞娟,張?zhí)飩}(cāng),李曉紅,等。TC11/TC17鈦合金線性摩擦焊接頭組織與性能. 航空制造技術(shù),2001(8):66-69.

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