厚板TC4钛合金电子束焊接头组织和力学性能研究  

作者:温锦志;卜文德;李建萍;王西昌;柯黎明 刊名:《热加工工艺》 上传者:李慧敏

【摘要】对30mm厚TC4钛合金进行电子束焊接试验,通过金相分析以及显微硬度测试对焊接接头的显微组织和力学性能进行了研究。结果表明,TC4钛合金母材由等轴α以及部分β转变组织组成,焊缝区组织在纵向上具有不均匀性。焊缝顶部β柱状晶粗大,沿熔合线向顶部生长,中部和下部柱状晶相对较小,垂直熔合线向焊缝中心对称竞相生长。β晶粒内部微观组织为针状马氏体,马氏体尺寸从焊缝顶部到底部逐渐减小。热影响区显微组织为等轴初生α相和α′针状马氏体,以及未完全转变的β相。焊缝区和热影响区显微硬度值高于母材;在焊缝区纵向上,顶部显微硬度值为340HV,随着距离焊缝顶部距离的增加,硬度值显著增大,最大值为435HV。

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钛合金具有密度小、强度高、耐高温、抗腐蚀及较好的韧性和焊接性,在航空航天、造船、石油、化工等领域得到广泛的应用[1],其中TC4钛合金是应用最为广泛的一种α+β两相型钛合金[2]。由于钛合金在高温下对氧、氮、氢和碳等具有极大的亲和力,采用传统焊接方法进行焊接时容易出现变形大、残余应力分布复杂等缺陷[3],难以得到高质量的焊缝,因而制约了其在工程上的应用。真空电子束焊是高能束焊的一种,是以集中的高速电子束轰击工件表面时所产生的热能进行焊接的方法。电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性、焊接变形区小以及能焊接难熔及异种金属等优点在航空航天及原子能工业得到了广泛应用[4]。对于飞行器大尺寸、大厚度钛合金承力框等构件的整400μm 400μm 400μm(a)焊缝区上部柱状晶(b)焊缝区中部柱状晶(c)焊缝区下部柱状晶图2 TC4钛合金电子束焊接焊缝区柱状晶组织Fig.2 The columnar microstructure of electron beam weld zone of TC4 alloy体锻造成形要求具备超大型模锻装备[5],而电子束焊由于具有深宽比大的特点,是厚板钛合金焊接的理想选择,但是由于厚度方向上的不同热循环作用,容易导致焊接接头组织和性能的不均匀性,因此,本试验以30mm厚TC4钛合金为研究对象,通过对接头焊缝区和热影响区组织和性能测试,探讨显微组织和力学性能在接头深度方向上的变化规律,为获得高质量焊缝及其应用提供依据。1试验方法试验所用材料为TC4钛合金板材,厚度30mm,退火状态供货,其化学成分如表1所示。采用真空电子束焊接,焊接工艺参数见表2。焊后利用线切割在垂直于焊接方向截取焊缝横截面金相试样,经过砂纸打磨、抛光、腐蚀之后在金相显微镜中观察其微观组织。所用腐蚀剂为HF∶HNO3∶H2O=1∶2∶7。采用401MVD硬度计对接头不同区域进行硬度测量,加载200g,加载时间为10s。2试验结果与分析2.1 TC4钛合金母材的显微组织图1是TC4钛合金母材显微组织。可看出,母材组织为均匀分布的等轴α组织以及部分β转变组织。其中等轴α组织的形状和大小与变形程度和变形方式有密切的关系,这种组织具有较好的室温塑性和疲劳性能。2.2电子束焊接头焊缝区显微组织图2为焊缝区柱状晶显微组织图。可看出,焊缝区各部都是由柱状晶组成,柱状晶界明显,但是在不同区域其尺寸大小和生长方向发生明显变化。其中焊缝区上部柱状晶最为粗大,晶粒以焊缝中心线为对称轴在两侧向顶部生长,如图2(a)所示;焊缝区中部柱状晶相对上部来说稍微细小,晶界清晰可见,但是其生长方向为向焊缝中心线对接垂直生长,如图2(b)所示;焊缝区下部柱状晶比较细小,晶界依然清晰可见,晶粒生长方向与中部相同,如图2(c)所示。电子束焊接厚板时,在焊缝深度方向上出现的这种组织不均匀现象主要与熔池散热有关。电子束焊接过程中,在高功率密度的电子束作用下,金属快速熔化、蒸发,形成蒸气压力,在蒸气压力等作用下,排开熔化金属形成小孔,电子束深入工件内部,因而形成焊缝[6]。熔化金属的热量主要通过向母材金属传导散失,热传导方向垂直熔池壁。金属形核以后背向散热最大的方向生长,即垂直于熔池壁向焊缝中心生长,由于两侧熔池壁上均有熔化金属形核和长大,所以形成了对称分布的柱状晶。由于电子束焊接时,熔池下部的金属较熔池上部的金属先凝固,焊缝下部金属高温停留时间短,而上部金属停留时间长,图1 TC4钛合金母材显微组织Fig.1 The microstructure of base matal of TC4 alloy10

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