TC4钛合金真空电子束焊焊接接头组织性能与腐蚀行为研究

2020-09-30陈启斌

四川冶金 2020年4期

陈启斌

(攀枝花钢城集团有限公司，四川攀枝花617000)

自上世纪50年代以来，钛及钛合金因具有优异的综合性能而受到世界各国的重视，被广泛运用于各行各业。TC4钛合金是目前工业生产中应用最为广泛的一种(α+β)型钛合金［1］。传统钛合金焊接方法因钛合金反应活性高，焊接热输入大，易产生气孔和接头脆化，限制了钛合金的应用。而真空电子束焊具有能量集中度高、焊接冶金质量好、焊缝窄、深宽比大、焊接角变形小、热影响区小、接头性能好等优点［2］，近年来被广泛应用于钛及钛合金的焊接［3］。但对于焊接接头电化学腐蚀行为的研究却并不多见。

本文研究了TC4钛合金薄板真空电子束焊焊接接头组织性能并分析了钛合金接头在不同腐蚀介质中的腐蚀行为，为海洋工程装备中钛合金的应用提供技术支持。

1 试验

1.1 试样制备

母材尺寸为350 mm×110 mm×3 mm的TC4钛合金薄板，不用焊丝，直接焊接，间隙控制在0.1 mm以下。TC4钛合金化学成分见表1。真空电子束焊主要工艺参数见表2。试样装配图见图1。

表1 TC4钛合金材料化学成分(%)Table.1 Chemical composition of experiment material

表2 真空电子束焊焊接工艺参数Table.2 Current parameter of test welding

图1 真空电子束焊件装配示意图Fig.1 Assembly diagramof vacuumelectron beam weld ment

1.2 试验方法

(1)显微组织观察

采用线切割机切割试样，然后用砂轮机去除飞边。对截面采用经预磨机、金相砂纸打磨后进行镶嵌，镶嵌好的试样再次经400#～1000#金相砂纸细磨至表面光亮平整且无明显划痕，最后用抛光机抛光至镜面。按照 HNO3：HF：H2O=5：5：90的比例配制酸性腐蚀液，采用擦拭法腐蚀试样表面5 s左右，立即用清水冲洗试样，吹干后待用。在OLYPUS金相显微镜下观察焊接接头各区域显微组织。

(2)显微硬度测试

采用HV-1000型显微硬度仪测试焊接接头截面显微硬度，载荷为0.2 kgf，加载时间10 s，保压时间20 s。记录母材、热影响区和焊缝的显微硬度值。

(3)力学性能试验

拉伸试验在SHT4305型微机控制电液伺服万能试验机上进行。根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》加工母材和焊接接头试样，采用1.2 mm/min的拉伸速度，在40 k N的载荷下测量试样的抗拉强度以及断面收缩率和延伸率。

(4)电化学腐蚀试验

在TC4焊板上切取电化学腐蚀试样，试样规格30 mm×25 mm×3 mm，焊缝区域位于试样中心。用石蜡将除待测区域(焊缝区、母材区)及夹持部分外的部分进行密封，尽量保证试样待测区域面积大小为0.3 c m2左右，用游标卡尺测量记录待测区域面积。试验采用恒压电位法在PARSTAT-4000电化学工作站中进行，扫描速度为0.5 mV/s。以待测试样作为工作电极、Pt辅助电极和甘汞电极作为参比电极，组成三电极系统，进行相应的极化曲线测量。分别测试试样在3.5%NaCl、10%HCl溶液中的极化曲线。

2 试验结果及分析

2.1 焊缝形貌

图2是TC4钛合金板对接焊焊缝正面和剖面形貌。由图可见，试样焊接接头部位没有明显的裂纹、气孔等缺陷，焊缝外形呈典型的楔形，这是由于真空电子束焊接具有能量密度高、熔深大，变形小，易于控制等特点而形成的特有的焊缝形貌。焊接接头热影响区较窄，进一步放大，焊接接头凝固组织特征是在熔合线内以等轴晶的形式存在，延伸至焊缝区转化为相对粗大的柱状晶，晶粒取向具有一定的方向性，生长方向基本垂直于熔合线。

2.2 接头显微组织

图3是焊接接头各区域在200倍下的组织形貌。由图3(a)可以看出，母材区组织是α相和β相的机械混合，片状等轴α相分布在β相上，是典型的双态组织；焊缝区α'相组织(针状马氏体)在粗大β晶粒中呈平行分布，α'相交错排列交织成网篮状；热影响区晶粒细小，可以看出是由原始α相加α'相组成。这是因为焊缝和热影响区在冷却过程中，高温β相冷却速度过快，α相来不及形成，β相再结晶形成的新的针状马氏体在原始位置析出形成网篮结构。

图2 焊缝正面和剖面形貌：(a)正面;(b)剖面;(c)熔合区Fig.2 Appearance of front and section of weld joint：(a)front;(b)section of the joint;(c)fusion zone

图3 焊接接头显微结构(200×)：(a)母材;(b)焊缝区;(c)热影响区Fig.3 Microstructure of the welding joint：(a)base metal;(b)weld zone;(c)heat affection zone

2.3 焊接接头显微硬度

焊接接头显微硬度测试结果见图4。由图可见，焊缝区域的显微硬度明显高于母材，且随母材距离的增加，显微硬度逐渐升高，但在热影响区靠近熔合线位置出现硬度下降。可能与焊接热循环作用下β相的过冷转变有关。在焊缝区，原来的β相快速冷却，发生马氏体转变，变成针状α'相，针状α'相形成网篮组织，温度越高，针状α'相晶粒越大，硬度越高；而在热影响区，由于冷却速度过快，部分β相转变形成的针状α'相发育不完全，具有较高位错密度，容易造成晶界滑移，故出现局部软化现象。

2.4 力学性能试验

根据GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》分别对TC4钛合金板、TC4真空电子束焊焊接接头试样进行拉伸试验。表3为母材与焊接接头力学性能对比情况。

由表3可知，焊接试样伸长率、断面收缩率明显高于母材，说明焊接接头塑性好，与焊缝区网篮组织的形成有关。

2.5 电化学腐蚀性能

母材和焊接接头试样分别在3.5%NaCl、10%HCl溶液中的极化曲线如图5所示，表4为所对应极化动力学参数。

图4 焊接接头显微硬度分析Fig.4 Microhardness analysis of the welded joint

表3 母材与焊接接头力学性能对比Table 3 Comparison of mechanical properties bet ween base metal and welded joint

图5 不同腐蚀介质中的极化曲线Fig.5 Polarization curves in different corrosive media

表4 钛合金接头在腐蚀介质中的极化动力参数Table 4 Polarization dynamic parameters of titaniumalloy joints in corrosive medium

由表4可知，在3.5%NaCl溶液中，焊缝区自腐蚀电位更趋于正值，故母材的腐蚀倾向大于焊缝，而在10%HCl溶液中，不论焊缝还是母材，自腐蚀电位大于0，说明钛合金抗腐蚀好，但焊缝区和母材区相比，母材区自腐蚀电位更高，说明焊缝区是腐蚀薄弱区域。同时，焊接接头在10%HCl溶液中自腐蚀电流显著高于在3.5%NaCl溶液中，说明介质对接头的电化学腐蚀性能影响显著。