苗金芳，王愛琴，呂逸帆，余巍，謝敬佩

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471023；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所，河南 洛陽 471023）

0 前言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、比重小、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、焊接性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。TC4 鈦合金是α+β 兩相鈦合金，也是目前使用最廣泛的鈦合金，含有6% α 穩(wěn)定Al 元素和4% β 穩(wěn)定V 元素，具有密度小、比強(qiáng)度高以及在高溫高壓下的高耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航空工業(yè)中常用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的梁、接頭和隔框等重要承力構(gòu)件[3-4]，而且在生物醫(yī)藥和汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

由于鈦合金的化學(xué)活潑性，以及在高溫條件下對(duì)氫、氧、碳和氮等具有很大的親和力[5]，常用的焊接方法如TIG焊[6]、MIG 焊、PAW 焊、LBW 焊等[7]不能滿足鈦合金焊接的要求，有必要提供一種保護(hù)氣體或在真空氣氛[8]焊接,而真空電子束焊EBW[9]可以滿足鈦合金焊接的特殊要求。電子束焊是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電子束撞擊在工件上將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，使焊接材料迅速熔化，形成熔池，隨著電子束的移動(dòng)，熔池金屬冷卻結(jié)晶，從而完成焊接過程。高真空電子束焊接技術(shù)可以避免合金在焊接過程中與空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生缺陷[10-12]。同傳統(tǒng)焊接方法相比，真空電子束焊具有能量密度大、熱輸入小、焊接速度快、深寬比大、熱影響區(qū)小等一系列優(yōu)點(diǎn)[13]，不僅適用于鈦合金材料的焊接，也廣泛應(yīng)用于對(duì)質(zhì)量要求高部件的焊接。

對(duì)TC4 鈦合金電子束焊焊接接頭的組織和性能研究較多，如鐘玉等人[14]采用真空電子束方法進(jìn)行10 mm 厚TC4 鈦合金的焊接，對(duì)顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，焊縫和熱影響區(qū)金屬中較粗大的原始β 相轉(zhuǎn)變?yōu)檫^飽和的針狀馬氏體；焊縫的硬度值比母材高，但沖擊韌度比母材低。溫錦志等人[15]對(duì)30 mm 厚TC4 鈦合金進(jìn)行電子束焊接，結(jié)果表明，焊縫頂部β 柱狀晶粗大，中部和下部柱狀晶相對(duì)較小，β 晶粒內(nèi)部微觀組織為針狀馬氏體，馬氏體尺寸從焊縫頂部到底部逐漸減?。缓缚p區(qū)和熱影響區(qū)顯微硬度值高于母材。劉希林等人[16]對(duì)33 mm 厚TC4 鍛件電子束焊接接頭組織進(jìn)行了研究，通過對(duì)電子束焊接接頭的截面形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)為典型的粗大柱狀晶組織，晶粒組織受溫度梯度影響呈現(xiàn)明顯的取向性，焊縫處、熱影響區(qū)組織主要是由β 轉(zhuǎn)變基體和α′形成的馬氏體組成，焊縫處晶粒粗大，而熱影響區(qū)處馬氏體細(xì)小，分布不均。

文中對(duì)7 mm 厚TC4 鈦合金電子束焊焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析，為TC4 鈦合金電子束焊接的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為7 mm 厚的TC4 鈦合金,焊接試樣尺寸為300 mm × 250 mm × 7 mm。焊接試驗(yàn)在中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所的大功率電子束焊機(jī)上進(jìn)行。焊接前對(duì)TC4 鈦合金進(jìn)行打磨，去除氧化膜，然后進(jìn)行酸洗，酸洗后用清水沖洗并用吹風(fēng)機(jī)吹干待施焊。焊接工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

焊接完成后，通過線切割進(jìn)行取樣，在母材和焊接接頭分別取拉伸試樣，母材拉伸試樣尺寸為45 mm × 20 mm × 7 mm，接頭拉伸試樣在試板不同位置取樣，試樣尺寸為250 mm × 25 mm × 7 mm；沖擊試樣采用夏比V 形缺口，試樣尺寸為55 mm × 10 mm ×5 mm，V 形缺口分別在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)；在試板不同位置切取面彎和背彎試樣，彎曲試樣尺寸為250 mm ×38 mm × 6 mm，試樣打磨光滑，用砂紙打磨掉線切割痕跡。

金相試樣經(jīng)過打磨、拋光后進(jìn)行腐蝕，腐蝕劑為HF∶HNO3∶H2O=1∶3∶10，用Axio Vert A1 型倒置金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察；在MH-3 型顯微硬度計(jì)上對(duì)接頭不同區(qū)域硬度進(jìn)行測(cè)量，載荷1.96 N，加載時(shí)間10 s；在島津AG-I 250KN 精密萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min；沖擊試驗(yàn)在JBN-300B 沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)后用JSM-IT100 型掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸、沖擊斷口進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

由電子束焊接工藝下獲得的TC4 鈦合金接頭截面宏觀形貌可以看出，焊縫區(qū)為粗大組織，受溫度梯度影響，上部晶粒較下部晶粒粗大。

圖1 為TC4 鈦合金電子束焊接頭不同區(qū)域顯微組織。圖1a 為接頭宏觀形貌，可以看出，從左至右依次是母材、過渡區(qū)、細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)和焊縫區(qū)，焊縫區(qū)的晶粒尺寸最大。

圖1 TC4 鈦合金電子束焊接頭不同區(qū)域顯微組織

圖1b 為母材顯微組織，可以看出，在平衡狀態(tài)下，TC4 鈦合金母材是由α 相和β 相組成的雙態(tài)組織，其中α 相為基體，β 相分布在α 相的邊界處。由于與焊縫中心距離的不同，各區(qū)域最高溫度停留時(shí)間不同，使得各區(qū)域的晶粒大小和相組成有較大區(qū)別[17]。圖1c為過渡區(qū)，最高溫度未達(dá)到α→β 轉(zhuǎn)變溫度，α 相通過吞并周圍晶粒長(zhǎng)大；在冷卻過程中，β 相幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，只有少量β 相殘留下來。圖1d 為細(xì)晶區(qū)，最高溫度達(dá)到α→β 相變溫度，但溫度較低，α 相轉(zhuǎn)變不徹底，且溫度停留時(shí)間短，β 相晶粒長(zhǎng)大有限；在冷卻過程中，極小部分的β 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢湎?。圖1e 為粗晶區(qū)，溫度達(dá)到α→β 相變溫度，且相變進(jìn)行的比較徹底，在溫度較高情況下，晶粒長(zhǎng)大；在冷卻過程中，冷卻速度較快，β 相轉(zhuǎn)變?yōu)棣痢湎?。圖1f 為焊縫區(qū)，焊縫區(qū)在焊接熱源的作用下溫度最高，使得焊縫區(qū)晶粒迅速長(zhǎng)大，由于焊后冷卻速度比較快，具備產(chǎn)生針狀馬氏體α′相的良好條件，β 相則轉(zhuǎn)變成了粗大的針狀馬氏體α′相，馬氏體通過切變?cè)讦?晶粒內(nèi)部形成[18]，在冷卻過程中，β 相大部分可以轉(zhuǎn)化為針狀馬氏體α′相，形成的針狀馬氏體比粗晶區(qū)粗大。

從顯微組織中發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)均含有針狀馬氏體α′組織，其產(chǎn)生的原因是，冷卻過程中，在α＋β 組織中析出了過飽和α′組織，即針狀馬氏體組織。電子束在焊接過程中焊接速度快，冷卻速度也快，但在快速冷卻過程中β 相來不及快速轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相，但β 相的晶體結(jié)構(gòu)不容易受冷卻抑制，仍然發(fā)生了轉(zhuǎn)變，β 相由體心立方晶格直接轉(zhuǎn)變?yōu)槊芘帕骄Ц?，這種具有密排六方晶格的過飽和固溶體為六方馬氏體，一般為針狀的α′馬氏體[19]。

從母材到過渡區(qū)、細(xì)晶區(qū)、粗晶區(qū)和焊縫區(qū)，各部分的組織組成由所受電子束熱量的作用決定。距離焊縫遠(yuǎn)，所受熱作用小，未達(dá)到β 相相變點(diǎn)，組織未發(fā)生相變，只是在熱作用下晶粒發(fā)生長(zhǎng)大；越靠近焊縫，所受溫度越高，達(dá)到β 相相變點(diǎn)，組織轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷卅?相，在快速冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铖R氏體α′相。

2.2 顯微硬度分析

圖2 為TC4 鈦合金電子束焊接接頭顯微硬度分布。圖2a 為接頭水平方向硬度分布，從整個(gè)接頭看，主要分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。從測(cè)試結(jié)果可以得到，焊縫區(qū)硬度均值為348.53 HV，熱影響區(qū)硬度均值為310.06 HV，母材區(qū)硬度均值為295.95 HV，顯微硬度逐漸下降。焊接接頭各區(qū)域組成相的顯微硬度由大到小一般規(guī)律為針狀馬氏體α′—α 相—β相[20-21]。因?yàn)楹缚p區(qū)和熱影響區(qū)的組織含有β 相轉(zhuǎn)變而成的針狀馬氏體α′相，α′相的出現(xiàn)形成了大量的晶界，使焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度提高，而焊縫區(qū)的針狀馬氏體組織比熱影響區(qū)的多，因此焊縫區(qū)的硬度高于熱影響區(qū)；從圖中看出母材硬度值最低，是因?yàn)槟覆牡慕M織為α+β 相，所以硬度值低于焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度。

圖2 TC4 鈦合金電子束焊接頭顯微硬度分布

圖2b 為焊縫厚度方向頂部到根部顯微硬度分布，可以看出從焊縫頂部到根部，顯微硬度有所下降，造成硬度分布差異的原因主要是焊縫區(qū)馬氏體組織的分布不同，從焊縫頂部到根部，針狀馬氏體含量和尺寸減小，所以硬度有所下降。

2.3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

表2 為電子束焊接頭和母材試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接接頭抗拉強(qiáng)度相差不大；而母材的抗拉強(qiáng)度低于焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，接頭塑性較低，斷裂發(fā)生在焊縫處。從接頭斷口掃描圖片看出，宏觀斷口平齊，無頸縮[22]。接頭抗拉強(qiáng)度高于母材抗拉強(qiáng)度是因?yàn)樵诳焖倮鋮s條件下，產(chǎn)生了針狀馬氏體α′相，針狀馬氏體具有高的孿晶和位錯(cuò)密度，造成了大量的相界，使焊縫區(qū)強(qiáng)度提高。

表2 TC4 鈦合金焊接頭和母材的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖3 和圖4 為焊接接頭拉伸斷口試樣的掃描電鏡圖片。焊接接頭的掃描圖片顯示，斷口由剪切唇和纖維區(qū)組成，剪切唇較為平整，纖維區(qū)位于斷口中央，粗糙不平[23]。剪切唇和纖維區(qū)直接相連，不存在放射區(qū)。剪切唇和纖維區(qū)越大則塑韌性越好[24]。從掃描圖片看出，剪切唇韌窩為等軸狀，韌窩分布比較均勻，但韌窩較淺；纖維區(qū)大韌窩中包含著小韌窩，且韌窩較深，斷口的韌窩分布大小不均勻。

圖4 TC4 鈦合金電子束焊接頭2 拉伸斷口形貌

圖5 為母材拉伸斷口掃描形貌，可以看出母材斷口含有大小不一的韌窩，且韌窩深度較深，因此認(rèn)為母材為韌性斷裂。對(duì)比發(fā)現(xiàn)母材的韌窩比焊接接頭的韌窩深，說明母材的塑性高于焊接接頭。

圖5 TC4 鈦合金電子束焊母材拉伸斷口形貌

拉伸試驗(yàn)表明TC4 鈦合金電子束焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于母材，而塑性低于母材，是因?yàn)楹附舆^程中，焊縫所受熱量最高，產(chǎn)生了針狀馬氏體α′相，形成了相界，使得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高，而塑性降低。

2.4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

采用夏比V 形缺口對(duì)焊接接頭進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果顯示，缺口在焊縫區(qū)試樣的沖擊韌性為28 J/cm2，缺口在熱影響區(qū)的沖擊韌性為24.4 J/cm2。說明V形缺口在焊縫區(qū)的試樣具有較好的韌性，但兩者韌性相差不大。

圖6 為TC4 鈦合金焊接接頭沖擊試樣斷口掃描電鏡圖片。從掃描圖片可以看到，缺口在焊縫區(qū)試樣，韌窩均勻且較大；而缺口在熱影響區(qū)試樣，韌窩小而淺，由此說明了缺口在焊縫區(qū)具有較好的韌性。

圖6 TC4 鈦合金電子束焊沖擊試樣斷口形貌

2.5 彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對(duì)焊接接頭進(jìn)行面彎和背彎試驗(yàn)，可以看出面彎至150° 時(shí)，試樣發(fā)生了斷裂；背彎試驗(yàn)至180° 時(shí)，試樣沒有發(fā)生斷裂，說明背彎試驗(yàn)合格。

從接頭厚度方向顯微硬度測(cè)試結(jié)果得到頂部硬度高于根部硬度，且頂部晶粒粗大，因此面彎在彎曲時(shí)發(fā)生斷裂。

3 結(jié)論

(1) TC4 鈦合金焊接接頭各部分組織受熱作用影響，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)都含有針狀馬氏體α′相，焊縫區(qū)溫度高，焊縫區(qū)的α′相比熱影響區(qū)α′相多且粗大。

(2) 焊接接頭焊縫處顯微硬度最高，高于熱影響區(qū)和母材區(qū)，主要是焊縫區(qū)含有大量的針狀馬氏體α′相，使得焊縫硬度提高，但整體硬度分布均勻。

(3) TC4 鈦合金電子束焊接頭抗拉強(qiáng)度高于母材，接頭拉伸性能良好，掃描斷口分為剪切唇和纖維區(qū)，剪切唇韌窩均勻且淺，纖維區(qū)韌窩大而深；缺口在焊縫區(qū)的試樣的沖擊韌性高于缺口在熱影響區(qū)的沖擊韌性；背彎試驗(yàn)至180° 時(shí)，試樣未發(fā)生斷裂，背彎試驗(yàn)合格。