Ti6Al4V脉冲激光焊接头高温力学性能研究

刘晶 高晓龙

摘 要：为了研究温度对钛合金薄板脉冲激光焊接头拉伸性能和疲劳性能的影响，采用与母材对比的实验方法，分别测试了不同温度下母材和激光焊接头的拉伸和疲劳性能，并利用扫描电镜对拉伸和疲劳断裂后的试样断口和组织进行观察。结果表明，Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的拉伸强度和疲劳寿命随着温度的升高而降低，300 ℃时母材和接头的抗拉强度分别降低了26.2%和31.6%，疲劳寿命分别降低了83.6%和77.8%；通过对疲劳断裂后的组织观察，发现Ti6Al4V脉冲激光焊接头的疲劳损伤集中于焊缝区域，并且随着温度的升高，Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样表面的组织变形程度增大从而导致了疲劳寿命的降低。研究结果对提高钛合金寿命和使用安全性有参考价值。

关键词：有色金属及其合金；激光焊接；高温；疲劳；力学性能

中图分类号：TG456.7 文献标志码：A

文章编号：1008-1542（2018）04-0299-07doi：10.7535/hbkd.2018yx04002

Abstract： To evaluate the effect of temperature on the mechanical properties of Ti6Al4V pulsed laser beam welding （LBW） joint， the mechanical properties are tested by tensile and fatigue tests under different temperature with comparison method， and the microstructure characteristic and fracture morphology are observed by optical microscope （OM） and scanning electron microscope （SEM）. The results show that the tensile strength and the fatigue life of the LBW joints and the base metal specimens decline significantly as the temperature rises， the tensile strength of the base metal and the LBW joint under 300 ℃ are reduced by 26.2% and 31.6%， respectively， and the fatigue life of the base metal and the LBW joint under 300 ℃ are reduced by 83.6% and 77.8%， respectively. The microstructure observation after the fatigue fracture shows that the fatigue damage is concentrated in the fusion zone， and with the increase of temperature， the deformation on the surface of all the specimens increases， inducing the reduction of the fatigue life. The research result provides reference for the improvement of the lifetime and application safety of titanium alloys.

Keywords：non-ferrous metals and its alloy； laser welding； high temperature； fatigue； mechanical performance

鈦合金由于具有优良的综合力学性能被广泛应用于航空、航天和石油化工等行业[1-5]，因而钛合金构件的服役环境温度具有较大的变化。在不同的环境温度下，钛合金如果发生了某些组织转变及力学性能的变化，将会对整体结构的寿命及安全产生极大的影响[6-9]。因此，研究钛合金在不同温度下的组织及力学性能的差异对于钛合金构件的安全使用具有重要意义。

河北科技大学学报2018年第4期刘 晶，等：Ti6Al4V脉冲激光焊接头高温力学性能研究在钛合金使用过程中，焊接结构由于能够明显地减少钛合金复杂结构成形的困难且能够节约原材料而被广泛使用。激光焊由于具有较小的热输入及较高的焊接速度，能够提供高质量的钛合金焊接接头[10-14]。

WANG等[15]研究了25～450 ℃之间Ti6Al4V激光焊接（LBW）头拉伸性能的影响，研究结果表明在所有的拉伸温度下，焊接接头的断裂位置都出现在母材区域，呈韧窝断裂模式，并且随着拉伸温度的增加，Ti6Al4V的激光焊接头的拉伸强度和屈服强度降低。CHENG等[16]研究了Ti6Al4V激光焊接头在高温下的超塑性行为，结果表明当温度在920 ℃，应变速率为10-3/s和10-1/s时，Ti6Al4V激光焊接头表现出了典型的超塑性行为。组织观察结果表明，在较高温度下及较低的应变速率下，Ti6Al4V激光焊接头焊缝组织发生了动态再结晶，使得Ti6Al4V激光焊接头呈现超塑性行为。在钛合金构件的服役过程中，疲劳是主要的失效形式。FOTOVATI等[17]利用人工神经网络预测了温度对Ti6Al4V裂纹扩展速率的影响，结果表明利用人工神经网络可以准确地预测Ti6Al4V裂纹扩展速率。周永峰等[18]研究了TC4钛合金板材电子束焊接疲劳性能，发现焊缝柱状晶内的网篮状马氏体组织越粗大，裂纹扩展性能越差；裂纹的扩展方式主要是穿晶断裂。

NALLA等[19]研究了激光强冲击表面处理对Ti6Al4V疲劳寿命的影响，发现经过激光强冲击后，在Ti6Al4V表面形成一层由纳米晶构成的硬化层，即使在450 ℃时，试样表面的残余应力被释放，但是硬化层的组织仍然保持稳定，而硬化层能够减小循环变形时的塑性应变幅度，从而提高了Ti6Al4V钛合金的疲劳寿命。ALTENBERGER等[20]也证明采用激光强冲击和深度轧制的办法能够显著地提升Ti6Al4V钛合金的高温疲劳寿命。陶佳跃等[21]研究了钛合金高温疲劳性能，通过寿命分布模型的检验，得到其有效数据点遵循正态分布的结论。

尽管关于Ti6Al4V钛合金高温疲劳性能的研究已有很多，但关于Ti6Al4V激光焊接头高温疲劳寿命的研究较少。相比于传统的焊接方法，脉冲激光焊接具有更高的温度梯度、更快的冷却速率，使得焊接接头的焊缝组织细化及残余变形变小，即脉冲激光焊接对于焊接Ti6Al4V薄板具有明显的优势。因此，研究温度对Ti6Al4V脉冲激光焊接头疲劳性能的影響具有重要的工程应用价值。

本文对比研究了温度对0.8 mm厚钛合金薄板脉冲激光焊接头和母材试样的疲劳性能的影响规律。对疲劳断裂后的试样和组织进行了扫描电镜观察，揭示不同温度下Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的疲劳失效机理。

1 实验材料及方法

焊接材料为0.8 mm厚的Ti6Al4V钛合金薄板，试板尺寸为220 mm×110 mm×0.8 mm，利用JHM-1GXY-400X型脉冲激光器对两块试板进行对焊，焊接工艺参数见表1。为防止焊缝及高温区域被氧化，采用Ar作为保护气体。

利用扫描电镜对Ti6Al4V脉冲激光焊接头横截面上的组织进行观察。对Ti6Al4V脉冲激光焊接头进行了显微硬度测试，测试位置在焊缝横截面的中部，测试载荷为100 g，保载时间为10 s。

在环境温度为25，120，210和300 ℃的条件下测试了Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的拉伸性能和疲劳性能。拉伸试样和疲劳试样采用了相同的尺寸，如图1所示。对试样表面进行了电解抛光处理以观察疲劳断裂后表面组织的变化，疲劳测试在MTS平面双轴材料试验机上进行，采用应力控制，加载波形为正弦波，震动频率为20 Hz，应力比为r=0.1，最大应力为750 MPa。对疲劳断裂后的试样进行了扫描电镜观察，研究不同温度下Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的断裂机理。疲劳试验装置如图2所示。对疲劳失效后的试样进行了断口分析和组织观察。

图3为Ti6Al4V脉冲激光焊接头的宏观照片。从图3可知，脉冲激光焊接头可以分为3个区域，即焊缝、热影响区及母材区域。在较低的倍数下可以看到，焊缝的组织明显不同于热影响区的组织。焊缝的上、下表面宽度基本相等，约为0.86 mm，有轻微的咬边缺陷出现在焊缝/热影响区上。

图4为Ti6Al4V焊接接头的显微组织。

如图4所示，母材组织是由等轴的α相和颗粒状的β相组成。焊缝是由针状的马氏体组织组成，在原β晶粒的边界上无二次α相的形成，表明了激光焊接具有较高的冷却速度，使得焊缝的组织为马氏体组织。图4 c）是靠近焊缝的热影响区组织，由马氏体α′和二次α相组成。图4 d）是热影响区中部的组织，由针状马氏体α′、二次α相、初始α相和β相组成。随着离焊缝距离的增加，靠近母材的热影响区中马氏体α′和二次α相的含量减小，而初始α相和β相的含量增加，见图4 e）。

2.2 温度对Ti6Al4V焊接接头拉伸性能的影响

拉伸结果如表2所示，表中所示的每个抗拉强度为3次实验的平均值。图5为不同温度下的Ti6Al4V脉冲激光焊接头的拉伸曲线。从图中可以看到，随着温度的升高，焊接接头和母材试样的拉伸强度都随着温度的升高而降低，温度达到300 ℃时，母材和接头的抗拉强度分别降低了26.2%和31.6%。拉伸延性随温度的变化较为复杂，当温度从25 ℃升高到120 ℃时，母材试样和焊接接头的拉伸延性稍有增加，但是当温度继续升高到210 ℃时，母材试样和焊接接头的拉伸延性开始降低，当温度升高到300 ℃时，母材和焊接接头的拉伸延性进一步降低。

图6为母材和焊接接头的抗拉强度和拉伸延性随温度变化的规律。如图6 a）所示，随着温度的升高，母材和焊接接头的抗拉强度都降低。当环境温度为25 ℃时，母材和焊接接头的抗拉强度分别为1 151 MPa和1 182 MPa，而当环境温度为300 ℃时，母材和焊接接头的抗拉强度分别为849 MPa和809 MPa，温度对焊接接头强度的影响大于母材，从图6 b）可以看到，母材的拉伸延性大于焊接接头的拉伸延性，这归因于焊接接头的组织具有明显的不均匀性，在拉伸过程中，更容易产生塑性局部化的现象，降低了焊接接头的拉伸延性。

所有激光焊接头试样断裂位置都在母材区域，因此，所得到的拉伸强度实际上仍是“母材”的拉伸强度，而不是焊接接头中“焊缝”的拉伸强度，故焊缝的拉伸强度应高于母材的拉伸强度。图7为不同温度下母材试样和焊接接头母材区域的拉伸断口形貌，从图中可以看到，大量的韧窝存在于母材试样和焊接接头母材区域的断口表面上，并且随着温度的升高，断口表面上的韧窝逐渐增大。

2.3 温度对Ti6Al4V焊接接头疲劳性能的影响

图8是在最大应力750 MPa下，温度对Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的疲劳性能的影响，循环周次如表3所示。从图8可以看到，随着温度的升高，焊接接头和母材试样的疲劳循环周次明显降低，并且焊接接头和母材试样的疲劳循环周次差异减小。当温度是25 ℃时，在同样的应力水平下，母材试样的疲劳循环周次远高于焊接接头的疲劳循环周次。当温度增加到300 ℃时，母材和焊接接头的疲劳循环周次分别降低了83.6%和77.8%。母材的疲劳循环基本与焊接接头的疲劳循环周次相等。随着温度的升高，焊接接头和母材试样的抗拉强度和屈服强度都随着温度的升高而降低，使得疲劳加载应力接近于试样的屈服强度而使得试样的疲劳寿命迅速降低。

焊接接頭在所有的温度下都断裂于焊缝处，这表明焊接接头焊缝处的拉伸强度虽然高于母材区域，但是焊缝处的疲劳性能低于母材区域的疲劳性能。

图9为在室温和300 ℃时Ti6Al4V母材和焊接接头裂纹起源的位置。从图9可以看到，裂纹都起源于试样表面。

图10为温度25～300 ℃时母材试样和焊接接头疲劳裂纹扩展第2阶段的形貌，随着温度的升高，疲劳裂纹越来越明显，裂纹的宽度也逐渐增加。当温度升高时，焊接接头和母材试样的屈服强度降低，在同样的应力载荷下，裂纹尖端的塑性变形增加，循环变形引起裂纹尖端的损伤加剧，导致焊接接头和母材试样的疲劳裂纹变宽。

图11是不同温度下的Ti6Al4V母材试样的疲劳断裂后的组织。当温度升高时，母材组织中的滑移线在更多的α相被观察到，并且母材的组织严重变形，这与温度升高后，母材的屈服强度变低使得母材的塑性变形在循环载荷下更为剧烈有关。

图12是不同温度下Ti6Al4V脉冲焊接头疲劳断裂后焊缝组织的特点。随着温度的升高，焊缝表面的褶皱越来越明显，粗糙度明显升高，这表明当温度升高时，焊缝区域的组织损伤剧烈，导致Ti6Al4V脉冲激光焊接头的疲劳寿命降低。

3 结 语

Ti6Al4V脉冲激光焊接头焊缝组织主要由针状马氏体组成，热影响区组织由针状马氏体α′、二次α相、初始α相和β相组成。Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样的拉伸强度随着温度的升高而降低，温度达到300 ℃时，母材和接头的抗拉强度分别降低了26.2%和31.6%，温度对焊接头强度的影响大于母材。在相同的应力水平下，Ti6Al4V母材试样的寿命高于脉冲激光焊接头的疲劳寿命，疲劳寿命随温度的升高迅速降低，当温度达到300 ℃时，母材和接头试样的疲劳寿命分别降低了83.6%和77.8%。对疲劳断裂后的组织观察表明，Ti6Al4V脉冲激光焊接头的疲劳损伤集中于焊缝区域。随着温度的升高， Ti6Al4V脉冲激光焊接头和母材试样表面的组织变形程度增大，从而导致了疲劳寿命的降低。本研究对Ti6Al4V脉冲激光焊接头在高温环境下的服役行为具有一定的参考价值。

关于不同温度下母材和焊接接头疲劳变形的损伤机理，可继续通过透射电镜观察，进行深入研究。

参考文献/References：

[1] SINGH P， PUNGOTRA H， KALSI N. On the characteristics of titanium alloys for the aircraft applications[J].Materials Today： Proceedings， 2017，4（8）：8971-8982.

[2] BOYER R R. An overview on the use of titanium in the aerospace industry[J]. Material Science and Engineering A， 1996， 213（1）： 103-114.

[3] BANERJEE D，WILLIAMS J C. Perspectives on titanium science and technology[J]. Acta Materiar，2013， 61：844-879.

[4] DUTTA B， FROES F H. The additive manufacturing（AM） of titanium alloys[J]. Metal Powder Report， 2017，72（2）：96-106.

[5] WEISS I， SEMIATIN S L. Thermomechanical processing of beta titanium alloys-an overview[J]. Material Science and Engineering A， 1998， 243：46-65.

[6] DAI Jingjie， ZHU Jiyun， CHEN Chuanzhong， et al. High temperature oxidation behavior and research status of modifications on improving high temperature oxidation resistance of titanium alloys and titanium aluminides： A review[J]. Journal of Alloys Compound， 2016， 685： 784-798.

[7] LI Hongwei， HUANG Dong， ZHAN Mei， et al. High-temperature behaviors of grain boundary in titanium alloy： Modeling and application to microcrack prediction[J].Computational Materials Science， 2017，140：159-170.

[8] BALASUNDAR I， RAVI K R， RAGHU T. On the high temperature deformation behaviour of titanium alloy BT3-1[J].Materials Science and Engineering： A， 2017， 684：135-145.

[9] WANG Zhe， WANG Xinnan， ZHU Zhishou. Characterization of high-temperature deformation behavior and processing map of TB17 titanium alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds， 2017， 692：149-154.

[10]GAO Xiaolong，ZHANG Jianxun，LIU Jing，et al. A comparative study of pulsed Nd： YAG laser welding and TIG welding of thin Ti6Al4V titanium alloy plate[J]. Materials Science and Engineering： A， 2013， 559：14-21.

[11]LIU Chuan， WU Bin， ZHANG Jianxun. Numerical investigation of residual stress in thick titanium alloy plate joined with electron beam welding[J]. Metallurgical & Materials Transactions B， 2018， 41（5）：1129-1138.

[12]PALANVIVEL R， DINAHARAN I， LAUBSCHER R F. Microstructure evolution and mechanical characterization of Nd： YAG laser beam welded titanium tubes[J]. Materials Characterization， 2017，134：225-235.

[13]CAI Xiaolong， SUN Daqian， LI Hongmei， et al. Microstructure characteristics and mechanical properties of laser-welded joint of γ-TiAl alloy with pure Ti filler metal[J]. Optics & Laser Technology， 2017， 97：242-247.

[14]XU Peiquan， LI Leijun， ZHANG Chunbo. Microstructure characterization of laser welded Ti-6Al-4V fusion zones[J]. Materials Characterization， 2014，87：179-185.

[15]WANG S， WEI M， TSAY L. Tensile properties of LBW welds in Ti-6Al-4V alloy at evaluated temperatures below 450 ℃[J]. Material Letter， 2003，57（12）：1815-1823.

[16]CHENG Donghai， HUANG Jihua， ZHAO Xingke， et al. Microstructure and superplasticity of laser welded Ti6Al4V alloy [J]. Material & Design， 2010， 31（1）：620-623.

[17]FOTOVATI A， GOSWAMI T. Prediction of elevated temperature fatigue crack growth rates in Ti6Al4V alloy - neural network approach[J]. Material & Design， 2004， 25（7）：547-554.

[18]周永峰，胡樹兵，肖建中，等. TC4钛合金板材电子束焊接疲劳性能[J]. 材料科学与工程学报，2010， 28（2）：130-135.

ZHOU Yongfeng， HU Shubing， XIAO Jianzhong， et al. A study of fatigue property on electron beam welded joint of titanium alloy plate[J]. Journal of Materials Science and Engineering， 2010， 28（2）：130-135.

[19]NALLA R K， ALTENBERGER I， NOSTER U， et al. On the influence of mechanical surface treatments-deep rolling and laser shock peening-on the fatigue behavior of Ti6Al4V at ambient and elevated temperatures[J]. Material Science and Engineering：A， 2003， 355（1）：216-230.

[20]ALTENBERGER I， RAVI K， YUJI S，et al. On the effect of deep-rolling and laser-peening on the stress-controlled low- and high-cycle fatigue behavior of Ti6Al4V at elevated temperatures up to 550 ℃[J]. International Journal of Fatigue， 2012， 44：292-302.

[21]陶佳跃，周亚东，张培伟，等. 钛合金高温疲劳性能的试验研究[J]. 工程力学，2016， 33（4）：250-256.

TAO Jiayue， ZHOU Yadong， ZHANG Peiwei， et al. A study on high temperature effect on fatigue performance of titanium alloy[J]. Engineering Mechanics， 2016，33（4）：250-256.