大厚度TC4-DT钛合金电子束焊接接头微观组织和力学性能研究

关 峰，倪家强，刘广鑫，侯 琦，刘艳梅，赵泓博

（1. 中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司，沈阳 110850;2. 中国人民解放军驻中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司军代表室， 沈阳110850）

钛合金具有强度高、刚性好、抗蠕变性能好、耐高温性能好以及良好的焊接性能等，在飞机、火箭、舰船、战车、汽车等上得到了广泛的应用[1-3]。在航空制造中，钛合金材料使用的比例逐渐增加。同时，电子束焊接作为高能束焊接方法为航空工业提供了强有力的技术保障。随着电子束焊接技术的发展和钛合金用量的增加，钛合金零部件的电子束焊接制造不断增多[4]。

TC4钛合金对应的国际牌号Ti-6Al-4V合金是一种用途广泛的双相钛合金[5]，主要用于飞机发动机叶片、风扇及飞机中的梁、框等承力构件的制造。

Lee等[6-7]对比了TC4合金等轴组织和双态组织的动态变形行为和弹道冲击性能，试验研究表明，双态组织的最大剪应力和剪切破坏应变较等轴组织相比具有较好的性能。

TC4-DT钛合金是一种通过成分设计优化、纯净化熔炼和β相热加工等技术制得的高强度、高断裂韧度的高损伤容限型双相钛合金，性能与国外Ti-6Al-4V ELI合金性能相近，ELI级别的TC4合金变形行为应避免在β转变温度区附近，研究结果表明，在β转变温度区附近，在低应变速率下，该型钛合金易存在孔洞形核和边缘裂纹萌生行为[8]。TC4-DT未来有望成为飞机用整体框、梁等关键承力构件的主要材料，满足飞机大尺寸结构零件的需要[9-11]。

本文是对大厚度TC4-DT钛合金采用高压电子束进行焊接，通过拉伸、冲击、断裂韧性等性能检测，对包括损伤容限等性能在内的力学性能进行研究。

1 试验方法

本文采用TC4-DT合金试板尺寸为200mm×100mm×60mm,其主要化学成分Al为5.6%～6.35%，V为3.6%～4.4%，Fe ≤0.25%，其余为Ti等。焊前采用酸洗方法清理试板表面及焊接位置，采用氩弧焊点焊对接试板。试验采用ZDl50-30C CV65M焊机沿试板长度方向进行电子束焊接，焊接参数见表1，焊后采用730℃进行真空退火处理。

表1 焊接参数

针对电子束焊缝，采用光学显微镜进行焊缝形貌组织观察，制备接头拉伸、焊缝冲击及断裂韧性试件并测试，通过扫描电镜进行断口观察分析。

2 试验结果分析与讨论

2.1 焊缝宏观形貌

焊缝的几何特征如图1所示，焊缝呈典型平行焊缝，焊缝的钉尖嵌入工艺垫板，在接头的有效厚度里面焊缝近似平行焊缝。平行焊缝的优点在于焊缝两侧的熔合线近似平行，从上到下焊缝的组织均匀性优于锥形、钉形等其他类型焊缝。因其组织均匀，故焊接接头的各部分性能差别较小，是电子束焊接的理想接头形式。

图1 焊缝宏观组织形貌Fig.1 Weld morphology

2.2 电子束焊接接头微观组织形貌

2.2.1 TC4-DT锻件的显微组织

TC4-DT组织为片层状组织，组织为粗大的原始β晶粒和α相，如图2所示，在原β晶界内析出了多组α层片束，α层片束交叉分布。在锻造过程中，部分被击碎的α片层组织散落在β晶粒中。

图2 基材组织Fig.2 Microstructure of base metal

2.2.2 TC4-DT焊缝的显微组织

TC4-DT电子束焊缝基体为α片层集束组织，在730℃保温3.5h去应力退火时，α相没有转化成β相而被保留下来，α片层和β晶界有所长大如图3（a）所示；在结晶温度以上，原始β晶粒再结晶析出针状α′组织。

热影响区由原始α组织、原始β组织和细小的α′马氏体等组织组成，主要是由于热影响区的温度较焊接接头温度低，α相发生了不完全转变，少量α相经历较短的高温时间转变为淬硬的针状α′马氏体如图3（b）所示；焊缝金属经历了熔化、快速冷却凝固，转变为针状α′马氏体，马氏体集束交叉分布，形成网篮状组织如图3（c）所示。

2.3 接头常规力学性能研究

2.3.1 静态拉伸

电子束焊接接头室温拉伸性能如表2所示。接头Rm（抗拉强度）、Rp0.2（屈服强度）与基材相当，但断后伸长率略低于基材，为基材的82%，焊缝接头性能呈现高强低塑特性。电子束焊接试件拉伸断裂位置位于远离焊缝的基材处，断口呈锯齿状。

电子束焊缝以马氏体组织为主，淬硬性和强度均高于基材；接头拉伸试样焊缝在中央，两侧为基材，属于高匹配接头；在拉伸过程中基材金属先发生屈服、断裂，因此接头强度基本与母材相当[12]。

2.3.2 焊缝冲击性能

电子束焊缝室温冲击性能如表3所示。与基材相比，电子束焊缝冲击韧性略低。断口形貌如图4所示，由纤维区、放射区、剪切唇3部分组成，侧面的剪切唇较大，缺口附近纤维区较小；中央大部分为放射区，存在大量密集的等轴韧窝，为典型的韧性断裂。

表2 试件室温拉伸试验结果

表3 试件室温冲击韧性试验结果

2.3.3 断裂韧度性能检测

对焊接接头进行室温断裂韧度测试，断裂韧度值如表4所示，与TC4-DT钛合金锻件的断裂韧度相比，焊接接头的断裂韧性下降约20%。

表4 试件室温断裂韧性试验结果

图4 TC4-DT电子束焊接冲击韧性及断裂形貌Fig.4 Impact specimens morphology of TC4-DT EBW joints

从焊缝的显微组织观察可以发现，焊缝中大量的长针状马氏体交错排布形成致密的网篮状组织；在断裂扩展中，这种网篮组织阻碍了裂纹的扩展,增加了能量的损耗，同时裂纹在扩展过程中，穿过晶粒内不同方向的马氏体时，由于马氏体组织阻碍裂纹的扩展及改变裂纹扩展的方向，导致裂纹扩展的路径变长[13]。

在退火过程中，真空炉由于对合金保温时间较长，晶粒和针状马氏体均能够有所长大，长大的β晶粒的塑性区能够有效阻止裂纹扩展，同时变大的马氏体能够有效的延缓裂纹的扩展，在去除焊接残余应力的同时，也有助于提高断裂韧性[14-16]。因此，TC-DT电子束焊接接头具有良好的损伤容限性能，能够有效满足航空需要。

3 结论

（1）TC4-DT钛合金具有优良的电子束焊接工艺性能，选用优化的焊接工艺能够获得平行型的焊接接头。

（2）焊缝形成针状马氏体网篮组织，热影响区为细小的α片层组织+针状马氏体组织。

（3）电子束焊接接头拉伸强度、焊缝冲击韧性等力学性能与基材相当，焊缝断裂韧性也达到了基材的80%以上。

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