Ti60合金板材电子束焊接接头组织性能研究

方波+任萍+李英+陈志勇+陈仲强+刘艳+王清江+宋玺玉+魏明霞+胡井祥+吕晶晶

摘要： 研究了Ti60合金板材电子束焊接接头的显微组织与力学性能.研究表明，焊接接头熔合区中的显微组织由针状α′相、α相和β相组成，热影响区的显微组织为β相转变组织、针状α′相及部分未溶解的等轴初生α相组成的混合组织.焊接接头硬度呈不均匀分布，焊缝熔合区的硬度最高，热影响区次之，母材区最低.焊接接头的室温和高温拉伸均断裂于母材区，焊接接头处拉伸强度等同于接头处母材区的强度.焊接接头的持久断裂均发生于焊缝区域，接头的持久寿命均>100 h.

关键词： Ti60合金； 板材； 电子束焊接； 力学性能

中图分类号： TG 407文献标志码： A

Microstructure and Mechanical Property of Electron

Beam Welded Joints of Ti60 Alloy Plates

FANG Bo1，REN Ping1，LI Ying1，CHEN Zhiyong2，CHEN Zhongqiang1，LIU Yan1，

WANG Qingjiang2，SONG Xiyu1，WEI Mingxia1，HU Jingxiang1，LYU Jingjing1

（1.AECC Shenyang Liming Aeroengine Corporation， Ltd.， Shenyang 110043， China；

2.Institute of Metal Research， Chinese Academy of Sciences， Shenyang 110016， China）

Abstract： Microstructure and mechanical properties of electron beam welded Ti60 plate were investigated.The results show that the microstructures in fusion zone （FZ） of joint after post weld heat treatment （PWHT） are composed of acicular α′ phase，α and β phases.The microstructure of the heat affected zone （HAZ） is a mixed structure of βphase transition structure，acicular martensite α′ phase and partially undissolved equiaxed primary α phase.The hardness of the welded joint is unevenly distributed.The highest hardness was found in FZ，then lower in HAZ，and the lowest in base material （BM）.Both the room temperature and the high temperature tensile of the welded joint are broken in the base material zone，and the tensile strength at the welded joint is equivalent to the strength of the base material zone at the joint.All the creep rupture specimens failed at FZ with a creep rupture life above 100 hours.

Keywords： Ti60 alloy； plates； electron beam welding； mechanical property

Ti60合金是我國自行研制的一种近α型高温合金，长时服役温度可达到600 ℃.该合金具有优良的综合力学性能，且具有较好的蠕变和疲劳性能，是我国制造先进航空发动机的主要选用材料之一.经过多年的应用研究，Ti60合金的棒材、锻件均已逐步实现了工业化生产和批量供货.近年来，随着航空发动机部件制造对使用温度在600 ℃的高温钛合金板材的潜在需求，“十二五”期间中国科学院金属研究所和宝钛集团公司开展了Ti60合金板材的研制和工业化试制工作，成功试制出不同厚度规格（2～10 mm）且综合性能良好的Ti60合金板材.

国内外的研究者已开展了大量针对航空结构用Ti6Al4V合金的焊接工艺的研究[1-6]，但针对航空发动机用近α型钛合金的焊接工艺报道很少.由于结构设计和先进航空发动机减重的需求，某先进航空发动机的筒体部件采用电子束焊接的方法制造.Ti60合金因其优异的综合力学性能，是制造航空发动机筒体零件的待选材料之一.目前，国内研究单位针对Ti60合金锻件开展了大量焊接性能的研究工作[7-10]，但对Ti60合金板材的焊接工艺、成型技术和力学性能评价研究尚未开展系统的研究工作.

本研究通过对Ti60合金板材进行电子束焊接试验研究，对板材电子束焊接接头的显微组织和力学性能进行分析与评测，为Ti60合金板材的工程化应用积累焊接工艺与力学性能的数据.

第3期方波，等：Ti60合金板材电子束焊接接头组织性能研究有 色 金 属 材 料 与 工 程2017年 第38卷1试验材料与方法

试验用Ti60合金板材的名义成分为Ti5.5Al4.0Sn3.5Zr0.5Mo0.35Si0.4Nb1.0Ta（质量分数）.铸锭经3次真空自耗熔炼后，在宝钛集团的1.2 m轧机上完成工业化轧制.用于焊接试验的成品板材规格为6 mm×800 mm×2 400 mm，以退火态供货，退火工艺制度为1 000 ℃×1 h/AC.板材的显微组织由等轴α相和少量β相转变组织组成，横向和纵向的组织差异不明显，如图1所示.板材的电子束焊接在中国航发黎明公司进行，表1为焊接工艺参数.焊接沿板材的轧制方向进行，板材焊接后进行750 ℃×2 h/AC的焊后热处理，用于消除焊接残余应力.焊后探伤表明，焊缝质量良好，未发现可探缺陷，如图2所示.

焊接接头经过焊后热处理后，利用Zeiss Axiovert 200 MAT光学显微镜观察其微观组织，试样制备过程为：预磨机械抛光化学腐蚀处理（Krolls腐蚀剂）.在FutureTech（FM700e）显微硬度计上进行焊接接头显微硬度测试.在日本岛津AGX250 kN电子拉伸试验机上进行拉伸性能测试，其最大载荷为250 kN，载荷精度为0.5%，试验速率为0.000 5～500 mm/min，测试温度范围为300～1 100 ℃，拉伸试样标距为15 mm，拉伸速率为0.002 s-1.在SANSGWT105高温蠕变机上进行持久试验.焊接接头的拉伸试样和持久试样采用棒状，焊缝位于试样标距的中心位置.

2试验结果与讨论

2.1焊接接头的宏观与微观组织特征

图3为沿板材不同方向焊接的焊接接头的宏观形貌.从图3中可以观察到，焊接接头由熔化区（FZ）、热影响区（HAZ）和母材区（BM）组成.熔化区为柱状晶，由热影响区逆向散热最快的方向向焊缝中心生长，焊缝从正面到背面基本等宽.宏观组织中未发现有气孔等焊接缺陷，焊接接头的母材区轧制流线不明显，说明此方向母材中的轧制织构较弱.

图4为焊接熔化区和热影响区显微组织照片.由图4（a）可知，焊缝熔合区由针状片层组织组成，由于Ti60合金为近α型合金，合金中β相稳定元素含量较低，在电子束焊接的冷却条件下，Ti60合金的电子束焊缝中会发生β相→针状α′相的马氏体相变，在熔化区中生成密排六方结构的针状α′相.本研究中，在焊后750 ℃热处理条件下，少量的马氏体会分解为α相和β相.因此，熔化区中的针状片层组织为针状α′相、α相和β相组成.

图4（b）～4（d）为焊接接头热影响区的微观组织.由图4（b），4（c）可见，距熔化区较近的热影响区中部（MiddleHAZ）及近热影响区（NearHAZ），由于在电子束焊接过程中某些区域的峰值温度超过了αSymbolk@@ β/β相转变温度，因此，中部热影响区和近热影响区的微观组织发生了如下变化：超过αSymbolk@@ β/β相转变温度的区域α相均转变成β相；而接近αSymbolk@@ β/β相转变温度的区域，大部分α相转变成了β相，只剩余少部分的等轴初生α相，在电子束焊接后的冷却过程中，剩余的等轴初生α相将保留到室温，β相将转变为β转变组织或针状α′相.由图4（d）可知，靠近母材区的接头热影响区（FarHAZ）在电子束焊接的热循环过程中的峰值温度低于αSymbolk@@ β/β相的转变温度.因此，远热影响区的微观组织由部分溶解的等轴初生α相和β相转变组织组成（见图4（a），4（b）），与母材区的组织差异较小.综上所述，在本试验的热处理条件下，焊接接头热影响区的显微组织为β相转变组织、针状α′相及部分未溶解的等轴初生α相组成的混合组织.

2.2焊接接头的显微硬度分布

从焊接接头一侧的母材区开始，跨过熔化区到另一侧母材区，每间隔20 μm进行硬度测试，得到焊接接头的硬度分布曲线，见图5.由图5中的曲线可知，焊接接头的硬度呈不均匀的“马鞍”状分布，焊接接頭中熔化区的硬度为380～400（HV），母材区的硬度为310～340（HV）；热影响区的硬度波动范围较宽，由熔化区附近的390（HV）左右，逐渐减小到母材区附近的340（HV）左右.造成焊接接头硬度分布不均的主要原因是焊接接头各区域组织的分布不均，熔化区中的组织为大量细小的针状α′+α片层组织.该组织的特点是显微硬度和强度高、塑性低.由组织分析可知，热影响区中随距熔化区距离的不同，存在数量不等的针状α′组织，随着针状组织的减少，显微硬度值逐渐下降到母材区水平.

2.3焊接接头的力学性能

表2和表3分别为Ti60合金板材及其焊接接头的拉伸力学性能.由表3中数据可知，焊接接头的室温和高温拉伸试样均断裂于母材区.由于焊接接头的3个区域中，母材区硬度最低，见图5，因此拉伸变形过程中，硬度较低的母材区首先发生变形，产生应力集中，最终断裂也发生在此区域.对比表2和表3还可以看出，焊接接头的拉伸强度与焊接前的成品板材相比，出现一定程度的下降.原因是，经过750 ℃焊后热处理后，焊接接头母材区中的α相发生不同程度的粗化，根据HallPetch公式：

σ=σ0+Kd-1/2（1）

式中：σ0及K均为常数；d为变形障碍间距.

国外对合金的拉伸变形行为研究认为，拉伸变形过程中，位错滑移一般需越过板材厚度方向进行，因此拉伸变形的主要变形障碍为α相厚度[11-12].板条厚度增加，导致母材区的强度下降，因此，焊接接头的强度随拉伸断裂位置（母材区）的强度下降而下降.电子束焊接接头的伸长率均比板材的伸长率略低，这是由于焊接接头熔化区和热影响区的硬度和抗拉强度均高于母材区，在拉伸过程中，这两个区域不参与拉伸变形.

表4为板材及其焊接接头的持久性能数据.由表4可知，焊接接头的持久性能较板材略差，观察试样断裂位置发现，所有的焊接接头持久试样均断裂于试样中部的焊缝区域.导致焊接接头持久性能下降的原因，是由于焊缝区域存在的细小针状α′+α片层组织所致.焊缝区中细小的针状组织导致α板条间的界面密度较母材区大，由于板条界面是发生位错攀移的主要区域[13]，持久试验过程中，单位时间内熔化区由于位错攀移产生的变形要比母材区大得多，使蠕变过程中回复作用加快，累积较大的变形.因而在相同持久变形条件下，焊缝熔化区内单位体积的位错攀移数量增多，进而在此区域产生较大的持久变形，最终断裂也发生在此区域.

3结论

（1） Ti60合金板材的焊接质量良好，焊缝表面未发现咬边、未焊合等焊接缺陷.

（2） Ti60合金板材电子束焊接接头熔化区的显微组织由针状α′相、α相和β相组成，热影响区的显微组织为β相转变组织、针状α′相及部分未溶解的等轴初生α相组成的混合组织.

（3） 焊接接头显微硬度呈不均匀分布，焊缝熔化区的显微硬度最高，热影响区次之，母材区最低.

（4） 焊接接头的室温和高温拉伸均断裂于母材区，焊接接头的拉伸强度等同于接头母材区的强度.

（5） 焊接接头的持久断裂均发生于焊缝区域，接头的持久寿命均>100 h.

参考文献：

[1]SARESH N，PILLAI M G，MATHEW J.Investigations into the effects of electron beam welding on thick Ti6Al4V titanium alloy[J].Journal of Materials Processing Technology，2007，192-193：83-88.

[2]LU W，SHI Y W，LEI Y P，et al.Effect of electron beam welding on the microstructures and mechanical properties of thick TC4DT alloy[J].Materials & Design，2012，34：509-515.

[3]YOON S，UEJI R，FUJII H.Effect of initial microstructure on Ti6Al4V joint by friction stir welding[J].Materials & Design，2015，88：1269-1276.

[4]WANG S Q，LI W Y，ZHOU Y，et al.Tensile and fatigue behavior of electron beam welded dissimilar joints of Ti6Al4V and IMI834 titanium alloys[J].Materials Science and Engineering A，2016，649：146-152.

[5]WANG S Q，LIU J H，CHEN D L.Tensile and fatigue properties of electron beam welded dissimilar joints between Ti6Al4V and BT9 titanium alloys[J].Materials Science and Engineering A，2013，584：47-56.

[6]WANG S G，WU X Q.Investigation on the microstructure and mechanical properties of Ti6Al4V alloy joints with electron beam welding[J].Materials & Design（1980-2015），2012，36：663-670.

[7]CHEN Z Y，LI J W，LIU J，et al.Creep behavior of fusion zone and base metal of the electron beam weldments of a nearalpha titanium alloy[J].Journal of Materials Science & Technology，2010，26（6）：564-571.

[8]陳志勇，王清江，刘建荣，等.Ti60钛合金电子束焊接接头高温下的失效与变形行为[J].金属学报，2008，44（3）：263-271.

[9]陈志勇，王清江，刘建荣，等.焊后热处理对Ti60钛合金电子束焊接接头显微组织及高温持久性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2008，37（S3）：64-67.

[10]李晋炜，左从进，陈志勇，等.含稀土相高温钛合金焊接接头的疲劳断裂特性[J].稀有金属材料与工程，2009，38（S3）：220-223.

[11]BOWDEN D M，STARKE E A.The effect of microstructure and deformation behavior on the hot ductility of Ti6Al2Nb1Ta0.8Mo[J].Metallurgical Transactions A，1984，15（9）：1687-1698.

[12]LIN F S，STARKE E A，CHAKRABORTTY B C，et al.The effect of microstructure on the deformation modes and mechanical properties of Ti6Al2Nb1Ta0.8Mo：Part I.Widmansttten structures[J].Metallurgical Transactions A，1984，15（6）：1229-1246.

[13]ANDRES C，GYSLER A，LTJERING G.Correlation between microstructure and creep behavior of the hightemperature Ti alloy IMI 834[J].Zeitschrift Für Metallkunde，1997，88（3）：197-203.