TC4/TC18异种钛合金焊接头的组织性能研究及数值模拟

作者:许艳飞;文璟;肖逸锋;王章;吴靓;钱锦文; 刊名:金属热处理 上传者:戴璐

【摘要】通过TIG焊对TC4/TC18异种钛合金进行焊接,利用光学显微镜、显微维氏硬度计和拉伸试验机,研究了焊接电流对异种钛合金焊接接头显微组织和力学性能的影响.结果表明,在不同的焊接电流下,母材至焊缝中心的显微组织变化规律是一致的,随着电流的增大,TC4侧热影响区显微组织变化不大,TC18侧热影响区晶粒先长大后减小.焊后TC18母材一侧热影响区出现软化现象,而TC4母材一侧热影响区出现硬化现象.拉伸断口均靠近TC18热影响区一侧,焊接头的抗拉强度均高于母材的73%.基于SYSWELD焊接模拟软件,模拟得出TC4/TC18的焊接头残余应力集中在TC18侧热影响区,与拉伸试验断裂结果相吻合.

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钛合金因为其密度小、比强度高、热导系数小、抗腐蚀能力强等优点在化学工业、核工业、航空航天、生物医药等领域得到越来越广泛的应用,同时吸引着很多材料工作者来对钛合金进行研究[1]。TC4(Ti-6Al-4V)属于最为典型的+型双相热强钛合金,应用广泛并占钛合金的50%以上,占到全部Ti合金加工件的95%;同时,TC4是广泛使用的轻量结构材料[2-4]。TC18(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe)是一种高合金化的近型钛合金,具有高强度、高塑性、可焊接等优点,适合制造各种高负载承力航空结构件[5-7]。两种不同钛合金的焊接对于扩宽钛合金的用途提供了多种可能性,钛合金异种焊接接头组织和性能分析方面已见报道。刘颖等[8]对TC4/TC17异种钛合金线性摩擦焊接接头分析得到:接头的室温抗拉强度达到937MPa;高周疲劳性能为313MPa,达到TC4母材高周疲劳强度的95%以上。Z.L.Lei等[9]对Ti-22Al-27Nb/TC4钛合金激光焊接接头分析:其焊缝主要由相和'相组成;接头的最大拉伸强度为1016MPa,达到母材TC4的92%。其他研究工作者还对TC4/Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo[10],Ti-22Al-27Nb/TA15[11]等进行了研究。钛合金常用的熔焊方法有TIG焊、电子束焊和激光焊等[12],而TIG焊接工艺性能好,成本较低,是应用广泛的熔焊方法之一。国内外对TC4的氩弧焊焊接接头的研究已经趋于成熟,而对TC18的焊接接头研究较少,另外TC4/TC18异种钛合金TIG焊接接头的研究报道也罕见,这很大程度上制约了这种钛合金的使用[13]。本文基于传统TIG焊接I型对接,选用纯钛焊丝,通过改变焊接电流对TC4/TC18异种钛合金的焊接接头进行显微组织观察,以及接头硬度、力学性能分析,并通过SYSWELD焊接模拟专用软件,对试验条件下焊接接头残余应力场进行模拟,为TC4/TC18异种钛合金的TIG焊接头的实际应用提供理论参考。1试验材料与方法本试验中所使用的焊接母材为中强钛合金TC4和高强钛合金TC18(BT22)轧制薄板,选取材料尺寸均为50mm30mm2.5mm。对试验材料TC4和TC18钛合金焊前处理,用金相砂纸等将焊接处打磨后,用丙酮和酸(1mLHF+1.5mLHCl+2.5mLHNO3+95mLH2O)进行清洗,接着用清水冲洗、吹干。随后将试验材料进行手工钨极氩弧对焊,开45V型坡口,焊缝方向垂直于母材的轧制方向,焊接电压15~20V,焊接速度12~14mmmin-1,焊丝直径2mm,氩气气流量8~12mLmin-1,选取3组电流60、80和100A对TC4/TC18异种钛合金TIG焊接试验进行探究。用HV-1000型显微维氏硬度计测试其显微硬度,载荷9.8N。采用OLYMBUSBX51M光学显微镜对母材、焊缝、热影响区进行微观组织形态观察。样品腐蚀剂为Kroll试剂,试剂体积比HFHNO3H2O=129。按照国家标准GB/T228.12010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,采用电火花切割,制备标准拉伸样,采用型号为FR-100C的微机控制电子万能试验机进行常温接头拉伸测试。为确定焊接接头的强度极限、断裂区域,将焊接试样表面光滑处理后,在型号为FR-100C的微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验。2结果与讨论2.1组织分析图1(a)所示为母材TC4钛合金的显微组织,灰色颗粒为相,灰白部分则是基体相,从图1中可以看出等轴的相均匀地分布在基体中。而TC18钛合金的组织则由基体相和分布晶间的少数相组成(见图

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