TC4钛合金与Nb-W-Mo-Zr铌合金的真空电子束焊接工艺研究

作者:夏明星;郑欣;李中奎;王东辉;白润;蔡小梅 刊名:稀有金属快报 上传者:熊欣竹

【摘要】采用真空电子束焊对TC4钛合金和Nb-W-Mo-Zr铌合金进行了成功焊接,焊接的基本工艺参数为:炉室真空度≤3.0×10-2Pa,枪室真空度≤1.5×10-3Pa,焊接电压56~60kV,束流20~25mA,工件的移动速度为550~600mm/min。用扫描电镜对焊接组织进行了观测,并作了X射线无损探伤。结果表明,热影响区和熔合区组织致密,焊缝熔透性好,无气孔。熔合区主要为胞状束凝固结构,基本无枝晶出现。X射线探伤结果得出,焊缝质量满足国家一级标准。焊接组件在室温下的力学性能为:Rm=595MPa,RP0.2=482MPa,A=20%,Z=63%。

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1引言随着航空航天技术的发展,先进飞行器发动机喷嘴入口温度不断提高,同时也需要重量不断减小。铌合金的使用温度高,但密度大,价格高;钛合金密度小,价格低,但使用温度低。单纯采用铌合金或钛合金都无法满足对飞行器的要求,所以迫切需要有一种既能在高温区耐高温又能减轻质量的方案。最便捷有效的方式就是把这两种合金焊接成一种组合材料,可达到把铌合金和钛合金的优点结合起来的使用效果。目前,对于钛合金与铌合金的焊接的报道主要是C-103铌合金与钛合金的焊接[1,2]。西北有色金属研究院自主研发的一种新型铌合金Nb-W-Mo-Zr,其高温强度优于美国的C-103铌合金,性能比较见表1。钛合金密度小,具有高的比强度,较好的热强性[1]。TC4钛合金可用做450以下使用的喷气发动机压气机叶片和涡轮盘[35]。目前对于TC4钛合金与Nb-W-Mo-Zr铌合金焊接的研究还未见报道,因此研究它们的焊接对航空航天领域有重要意义。2焊接方法选择及焊接性分析铌合金的熔点高,属于难熔金属,焊接性能比纯铌差,在高温下易氧化和氮化,出现焊接裂纹以及焊缝金属和热影响区脆化。铌合金大多数焊接接头有效率可保持在75%左右,而对TC4钛合金,其可焊性好,但化学活性高,在400就吸收有害气体氮,氢,氧,生成脆性相,使机械性能下降[2,6],即使采用氩弧焊接也不能保证焊接质量。表1C-103和Nb-W-Mo-Zr合金的高温力学性能Table1MechanicalpropertiesofC-103andNb-W-Mo-Zralloysathightemperature合金温度/Rm/MPaRP0.2/MPaC-10316004843Nb-W-Mo-Zr160094.680.9表4TC4合金和Nb-W-Mo-Zr合金的室温力学性能Table4MechanicalpropertiesofTC4andNb-W-Mo-Zralloysatroomtemperature合金温度/Rm/MPaRp0.2/MPaA/%TC42092089011Nb-W-Mo-Zr2047035029而真空电子束焊接方法由于具有高能量密度,高熔透性,热影响区小,焊接后变形小,焊缝较窄,可获得很好的焊接质量。同时因焊接过程在真空条件下进行,有害气体极少而避免杂质气体的污染,可降低焊缝金属的脆变程度。而且焊接中不需要任何填充材料,依靠母材的熔化而形成焊缝,能获得强度较高的焊接接头[79]。因此本实验选择真空电子束焊接方法[10,11]。对TC4钛合金与Nb-W-Mo-Zr铌合金进行焊接。TC4钛合金与Nb-W-Mo-Zr铌合金的熔点差异大,热传导性能也有差别,两侧热输入相同时,必然导致焊缝几何尺寸不对称。考虑到钛合金的熔点低,铌合金的熔点较高的特点,采用焊接时减少钛合金一侧的能量输入,使电子束能量偏向熔点较高的铌合金一侧,以平衡两种合金热物理性能差别的影响,防止两种合金熔合不充分[1,2]。此种方法的合理性在焊接较薄的铌合金与钛合金板坯时已经得到实验证实。若需焊接的两种合金板坯较厚,若只在一面焊,会造成焊不透,因此本实验选择焊接时减少钛合金一侧的能量输入,使电子束能量偏向铌合金的同时,还采取焊好一面再翻面焊另一面的双面焊接方法。3实验设备和材料焊接设备采用ZD60-15CCV6M型中高压真空电子束焊机。试验材料为TC4钛合金和Nb-W-Mo-Zr铌合金板材。TC4合金和Nb-W-Mo-Zr合金的化学成分、力学性能见表2、表3和表4。4电子束焊接工艺TC4钛合金与Nb-W-Mo-Zr铌合金的电子束焊接的接头型式见图1所示。焊前先将铌合金板

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