钛合金的焊接软化改进机制研究

毕研贞，王琦涛，刘荣伟，宋威振，雷贝贝

（长安大学，陕西 西安 710064）

钛合金具有低密度，高强度比，极好的抗疲劳和抗腐蚀性能的特点，广泛应用于航天、船舶、核能、汽车、化学工业等[1-3]。Ti17合金（Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr）是一种典型的α-β型钛合金，具有丰富的β稳定元素。Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6246，国标称为TC19）和Ti17钛合金是制造航空发动机的叶片、外壳的主要材料[4]。

钛合金焊接一直受到广泛的关注。由于当温度超过550℃，特别是熔化阶段，钛易与空气的氧、氮、碳反应，引起脆化[5]，导致其焊接性差。氩弧焊是钛合金最常用的焊接方法[6]。早期的研究已知，当Mo的含量超过10wt%（质量分数）或更高，β相以马氏体状态存在于室温[7-8]，出现软化区。Tan L.J.等人[9]发现电子束焊接的不同接头TC11和Ti-22Al-25Nb出现软化区，由于在Ti-22Al-25Nb的热影响区出现软化相B2.同时Wang S.Q.等人[10]证实在电子束焊接的不同接头钛合金Ti17和Ti-6Al-4V，因为在Ti17侧的热影响区出现软化和粗糙的β相，它的硬度低于母材。对于出现软化区的钛合金氩弧焊焊接接头，疲劳破坏往往发生在软化区，Wang S.Q.等人[10]证实疲劳破坏发生Ti17侧的热影响区。但目前的研究并没有对软化区提出改进措施。因此，利用另一种钛合金Ti-6Al-4V（TC4）填充Ti17钛合金和TC19钛合金氩弧焊焊接接头的软化区，以改善焊接接头的微观结构和硬度值。研究了Ti-6Al-4V对接头的硬度和微观结构的影响。

1 材料和实验过程

本实验用的材料是200 mm×100 mm×5 mmTi17钛合金板材、直径为2 mm的Ti-6Al-4V钛合金、直径为5 mmTC19钛合金棒材和TA9钛合金棒材。其中Ti17和TC19钛合金作为母材，TC4和TA9分别作为填充材料，其化学组成列于表1.

表1 钛合金的化学组成（质量分数）

所有的实验均在室温下进行。焊接之前需对材料进行机械和化学清洗，利用线切割机加工成所需尺寸，焊接之前尺寸100 mm×50 mm×5 mm，焊完之后200 mm×100 mm×5 mm，如图1所示。氩弧焊焊接钛合金采用弧电流100 A，焊接电压380 V，采用对接接头V型90°坡口，焊完之后尺寸为100 mm×120 mm×5 mm.

图1 焊接的示意图

焊接试样如图1和图2所示。金相材料样品沿垂直于焊接方向从焊接接头用线切割机取样，试样尺寸40 mm×30 mm×5 mm，每组试样共有三组，试样利用金刚砂纸从粗到细进行打磨、金相实验抛光机抛光，腐蚀采用 Kroll’s修正试剂（HF∶HN∶O=1∶2∶5）。微观结构使用光学显微镜观察。硬度测试利用硬度机测试，沿垂直于焊接方向的截面方向，间隔1 mm、100 g加载，持续15 s.

图2 焊接拉伸试样

2 结果分析

2.1 硬度结果和分析

如图3所示，对于Ti17和TC19测试硬度为从中间开始，向右的区域，也就是D和A的区域，再加上母材的区域。在TC19和Ti17焊接加入TC4，测试微观硬度是从中间开始，向左的区域，也就是C、E、B的区域，再加上母材的区域。而之前Ti17和TC19焊接加入TA9，测试微观硬度是从中间开始，向左的区域，也就是C、E、B的区域，再加上母材的区域。与上面不同的是在E区，焊接的是TA9，三个微观硬度图均从中间开始，所以显示刚开始的硬度最高。

图3 微观硬度测试图

Ti17和TC19的焊接接头从图4中可以看出，在Ti17侧的热影响区在距离5～10 mm出现焊接软化区（在热影响区，该区域的硬度明显低于母材定义为软化区，），如果在TC19和Ti17焊接加入TC4，可以填充软化区域，在此区域硬度有增加，而之前Ti17和TC19焊接加入TA9，不仅没有提高硬度，使焊缝区的硬度降低。如图4所示。

图 4TC19-Ti17，TC19-TC4-Ti17，TC19-TA9-Ti17焊接接头的硬度分布

2.2 微观结构结果和分析

微观结构图是沿着图3的C-E-B方向和D-A方向利用金相显微镜获得。图5显示Ti17、Ti-6Al-4V的母材，图6为 Ti17和Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo焊接接头的微观结构。从图5可以看出，Ti17的结构是极好的α片嵌入在β基体中（图5a）。然而Ti-6Al-4V是典型的双峰结构，由等轴α相和间粒状α+β片晶组成（图5b）。相应的氩弧焊焊后接头的微观结构接头的变化示于图4，熔融区是宽的，因为氩弧焊本身热输入较大。热影响区的宽度大约为5 mm.

图5 实验所用的钛合金的微观结构

图6Ti17与TC19利用氩弧焊焊接接头的微观结构。

图6 b主要是由α″相和β相组成，因为其硬度低于针状α′，尤其在焊接区形成的马氏体（针状）α′，从微观结构看，软化区的颜色明显深于其他区域。同样在硬度分布中，证实了此点。其硬度低于母材和焊缝的硬度。因此将该区定义为软化区。由于TC4的加入，Ti17与TC19的焊接接头的出现了改进区，从图中可以看出明显与其他地方不同。主要因为这块区域是由针状α′和α″构成。

3 结论

通过一系列的试验和观察，可以得到以下结论：

1）Ti17与TC19利用氩弧焊焊接在一起有明显的软化区域，由α″相和β相组成。

2）Ti17与TC19焊接加入TC4后在硬度上有明显的改善，故在Ti17与TC19焊接时可以加入TC4，用以改善接头的疲劳性能。

3）Ti17与TC19焊接加入TA9，不仅没有改善软化区的硬度，还降低了焊缝的硬度。

参考文献：

[1]Liu C，Zhang JX，Wu B，Numerical investigation on the vari ation ofwelding stresses after material removal from a thick titanium alloy platejoined by electron beam welding[J].Mater Des，2012（34)：609-17.

[2]Wang SG，Wu XQ.Investigation on the microstructure and mechanical properties of Ti–6Al–4V alloy joints with elec tron beam welding[J].Mater Des 2012（36）：663-70.

[3]Lu W，Shi YW，Lei YP.Effect of electron beam welding on the microstructures and mechanical properties of thick TC4-DT alloy[J].Mater Des，2012（34）：509-15.

[4]Xu J，Zeng W，Zhao Y.Effect of globularization behavior of the lamellar alpha on tensile properties of Ti-17 alloy[J].Al loys Compd，2016（673）：86-92.

[5]Noolua NJ，Kerra HW，Zhoua Y.Laser weld ability of Pt and Ti alloys[J].Mater Sci Eng A，2005（397）：8-15

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[7]Ho WF，Ju CP，Lin JHC.Structure and properties of cast binary Ti–Mo alloys[J].Biomaterials，1999（20）：2115-22.

[8]Davis R，Flower HM，West DRF.Martensitic transformations in Ti–Mo alloys[J].Mater Sci，1979，14：712-22.

[9]Tan LJ，Yao ZK，Zhou W，Guo HZ，Zhao.Microstructure and properties of electron beam welded joint of Ti-22Al–25Nb/TC11[J].Aerospace Sci Technol，2010（14）：302-6.

[10]Wang SQ，Liu JH，Chen DL.Strain-controlled fatigue prop erties of dissimilar welded joints between Ti-6Al-4V and Ti-17 alloys[J].Mater Des，2013（49）：716-27.