焊后熱處理對(duì)TA15鈦合金厚板焊接接頭彎曲性能的影響

鈦及鈦合金因具有密度小、耐熱性好、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 [1] 。TA15鈦合金是一種高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V [2-3] 。該合金具有α型和α＋β型鈦合金的許多優(yōu)點(diǎn)，具有中等的室溫強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能 [４] 。 在航空領(lǐng)域，TA15 鈦合金板材因具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能和焊接性能，尤其適用于大型復(fù)雜壁板類零件的制造，而焊接接頭的質(zhì)量評(píng)價(jià)對(duì)于零件最終成形有著極為重要的意義。 彎曲性能是評(píng)價(jià)TA15鈦合金板材焊接接頭質(zhì)量的重要指標(biāo)，在彎曲變形過程中彎折外側(cè)受到拉應(yīng)力，彎折內(nèi)側(cè)受到壓應(yīng)力，板材在拉、壓應(yīng)力的作用下發(fā)生彈性和塑性變形，當(dāng)塑性變形階段形變量超出板材自身塑性所能承受的最大延伸量時(shí)，板材將不可避免地發(fā)生開裂。

對(duì)于鈦合金半成品及其制件，熱處理工藝是改善微觀組織以提高其力學(xué)性能最常用的方法 [5-6] ，本文研究了在相同的冷卻方式下，不同加熱溫度和保溫時(shí)間的退火處理對(duì)TA15鈦合金板材焊接接頭彎曲性能的影響，通過組織形貌的對(duì)比分析以及焊接試片極限彎曲性能的測(cè)試確定了最優(yōu)熱處理制度。

1、試驗(yàn)材料及方法

焊接試片的制備使用的是退火狀態(tài)下TA15鈦合金板材，厚度為6mm，其室溫力學(xué)性能要求如表 1 所示。 采用鎢極氣體保護(hù)焊工藝，以無坡口對(duì)焊形式制備焊接試片，焊絲選用 TA0-1純鈦焊絲，接頭形式如圖 1所示，焊接后力學(xué)性能要求如表 2 所示。

焊接后采用不同的熱處理制度對(duì)焊接試片進(jìn)行退火處理，試片分組及熱處理參數(shù)的選擇見表 3。 通過焊接接頭組織分析以及極限彎曲性能測(cè)試，確定最優(yōu)熱處理制度。

2、試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　焊后熱處理顯微組織

對(duì)焊接后以及退火后不同試樣的焊縫處進(jìn)行顯微組織觀察，未經(jīng)退火處理焊縫處與基體組織對(duì)比如圖 2所示。 板材基體為典型的等軸組織，β相均勻分布于α基體內(nèi)，晶粒沿軋制方向呈現(xiàn)出一定的方向性排列。 焊縫區(qū)域是在焊接過程中完全融化的部分，針狀α相沿不同方向分布，呈現(xiàn)出網(wǎng)籃狀組織的典型形貌 [7-８] ，β相不均勻分布于晶界處，存在一定的偏析。

伴隨著焊后冷卻過程，針狀α相長大到較大尺寸，這種尺寸及形貌的變化是導(dǎo)致焊縫處力學(xué)性能較差的直接原因。

對(duì)焊接后以及采用不同制度退火后板材的焊縫處顯微組織進(jìn)行觀察。 如圖 3（ａ）所示，未經(jīng)過退火處理的焊縫處柱狀晶較為粗大，晶界平直，α相呈網(wǎng)籃狀分布，β相偏聚于枝晶間。 如圖 3（ｂ，ｃ）所示，經(jīng)750 ℃ ×90min、750 ℃ ×120min 退火處理后，焊縫處依然呈現(xiàn)出明顯的網(wǎng)籃狀組織。 隨著保溫時(shí)間延長，針狀α相長大到較大尺寸。 在退火過程中，焊接應(yīng)力被進(jìn)一步消除，但是焊縫組織在退火過程中并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性的細(xì)化，并且較大尺寸針狀α相也不利于焊接接頭塑性的改善。

如圖 3（ｄ）所示，隨著退火溫度由 750 ℃ 提升至８50 ℃，焊縫處單一柱狀晶的均勻化轉(zhuǎn)變逐漸清晰，焊縫組織在這一轉(zhuǎn)變過程中被部分破碎、細(xì)化，β 相偏聚的情況明顯改善。 由于加熱溫度始終控制在相變點(diǎn)以下，焊縫組織仍呈現(xiàn)出α相為針狀的兩相組織，但整體形貌得到了一定的改善。

2.2　極限彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

通過開展極限彎曲試驗(yàn)，不斷增大彎曲角直至開裂，考察不同退火工藝對(duì)板材彎曲性能的改善程度。 根據(jù)焊接工藝規(guī)范要求，設(shè)定彎芯直徑為 3Ｔ（Ｔ 為板材試樣厚度），彎曲角度的選擇為在滿足規(guī)范要求30°的基礎(chǔ)上，對(duì)彎曲30°時(shí)未開裂的試樣繼續(xù)增大彎曲角度直至開裂，彎曲后試樣形貌如圖４ 所示，彎曲結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖5 所示。

焊接狀態(tài)下試樣彎曲性能較差，彎曲至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 21°即發(fā)生開裂，開裂發(fā)生在焊縫區(qū)域，主要原因是TA15 鈦合金板材試樣在焊接過程中由于熱輸入較大，在焊縫處形成典型的粗大柱狀晶組織，整體硬度增加、塑性下降，導(dǎo)致焊接接頭處塑性較差，彎曲性能較差。經(jīng) 750 ℃ ×90min 和 750 ℃ ×120min 退火處理后，彎曲性能改善程度不明顯，極限彎曲角為18.7°～22.9°，主要原因是退火處理后組織未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，試樣整體塑性未得到改善，但焊接應(yīng)力的消除在一定程度上對(duì)綜合力學(xué)性能的提升做出了貢獻(xiàn)。 經(jīng)８50 ℃ ×120min 退火處理后，試樣極限彎曲角提高至 23.5° ～25.5°，彎曲性能得到一定提高，試樣具備了一定的彎曲富余量。

不同退火狀態(tài)下TA15鈦合金板材焊接試樣的極限彎曲性能測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步印證了焊接接頭處的組織演變規(guī)律，表明退火處理后組織的改善是焊接接頭彎曲性能提升的直接原因。

3、結(jié)論

1）TA15鈦合金板材焊接接頭處為典型的柱狀晶組織，針狀α相沿不同方向分布，焊接接頭塑性較差，彎曲性能較差。

2） 采用一般的焊后穩(wěn)定化退火處理（750 ℃ ×90min和 750 ℃ ×120min）可以起到消除焊接應(yīng)力的作用，但焊接接頭處組織性能沒有明顯改善，未能使彎曲性能得到有效提升。

3） 采用８50 ℃ ×120min 爐冷的退火工藝對(duì)焊后試樣進(jìn)行熱處理，焊接接頭組織的單一柱狀晶得到了一定的細(xì)化，β 相分布更為均勻，試樣平均彎曲性能突破2４°。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉奇先， 劉　楊， 高　凱． 鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[Ｊ]． 航天制造技術(shù)， 2011（４）： ４5-４８．

Ｌｉｕ Ｑｉｘｉａｎ， Ｌｉｕ Ｙａｎｇ， Ｇａｏ Ｋａｉ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｔｉTAｎｉｕｍ Alｌｏｙｓ[Ｊ]． Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， 2011（４）：４5-４８．

[2] 黃　旭， 朱知壽， 王紅紅． 先進(jìn)航空鈦合金材料與應(yīng)用[Ｍ]． 北京： 國防工業(yè)出版社， 2012： 26-27．

[3] 《中國航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì)． 中國航空材料手冊(cè)[Ｍ]． 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2002．

[４] 張小紅， 林　鑫， 陳　靜， 等． 熱處理對(duì)激光立體成形TA15合金組織及力學(xué)性能的影響[Ｊ]． 稀有金屬材料與工程， 2011， ４0（1）： 1４2-1４7．

Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｏｈｏｎｇ， Ｌｉｎ Ｘｉｎ， Ｃｈｅｎ Ｊｉｎｇ， ｅｔ Al． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃAl ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＴAl5TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙｓｂｙ ｌａｓｅｒ ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍｉｎｇ [ Ｊ]． Ｒａｒｅ ＭｅｔAl ＭａｔｅｒｉAlｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，2011， ４0（1）： 1４2-1４7．

[5] 趙彥蕾， 李伯龍， 朱知壽， 等． 熱處理溫度對(duì) ＴＣ21 鈦合金微觀組織的影響[Ｊ]． 材料熱處理學(xué)報(bào)， 2011， 32（1）： 1４-1８．

Ｚｈａｏ Ｙａｎｌｅｉ， Ｌｉ Ｂｏｌｏｎｇ， Ｚｈｕ Ｚｈｉｓｈｏｕ， ｅｔ Al． Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＴＣ21TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙ[Ｊ]． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆＭａｔｅｒｉAlｓ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ， 2011， 32（1）： 1４-1８．

[6] 盧凱凱， 周立鵬， 李敏娜． 強(qiáng)韌化熱處理對(duì)TA15鈦合金組織和性能的影響[Ｊ]． 材料熱處理學(xué)報(bào)， 2020， ４1（1）： ４４-４9．

Ｌｕ Ｋａｉｋａｉ， Ｚｈｏｕ Ｌｉｐｅｎｇ， Ｌｉminｎａ． Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｎｄｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃAl ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ TA15TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙ [ Ｊ]． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ＭａｔｅｒｉAlｓ ａｎｄ ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔ， 2020， ４1（1）： ４４-４9．

[7] 陳國慶， 張秉剛， 王　 廷， 等．TA15鈦合金潛弧焊接頭組織與性能分析[Ｊ]． 焊接學(xué)報(bào)， 2010， 31（7）： 5-８．

Ｃｈｅｎ Ｇｕｏｑｉｎｇ， Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎｇｇａｎｇ， ＷａｎｇTiｎｇ， ｅｔ Al． Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃAl ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ａｒｃ ｗｅｌｄｅｄ TA15TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙｊｏｉｎｔｓ[Ｊ]． Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ， 2010， 31（7）： 5-８．

[８] 朱景川， 何　 東， 楊夏煒， 等．TA15鈦合金雙重?zé)崽幚砉に嚰捌湮⒂^組織演化的 ＥＢＳＤ 研究[Ｊ]． 稀有金屬材料與工程， 2013， ４2（2）： 3８2-3８6．

Ｚｈｕ Ｊｉｎｇｃｈｕａｎ， Ｈｅ Ｄｏｎｇ， Ｙａｎｇ Ｘｉａｗｅｉ， ｅｔ Al． ＥＢＳＤ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｄｕAlｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅVｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ TA15TiTAｎｉｕｍ Alｌｏｙ[Ｊ]．Ｒａｒｅ ＭｅｔAl ＭａｔｅｒｉAlｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， 2013， ４2（2）： 3８2-3８6．