氩弧焊修复对激光增材制造TC18钛合金力学性能影响研究

2022-09-28王志刚朱小军刘栋

航空科学技术 2022年9期

王志刚，朱小军，刘栋

1.航空工业第一飞机设计研究院，陕西西安 710089

2.北京航空航天大学，北京 100191

TC18 钛合金是一种α+β 双相、高强高韧可焊型钛合金，退火后的强度在1080MPa以上，是目前退火状态下强度最高的钛合金[1]，将此合金用于飞机的大型主承力结构来代替高强钢，可使飞机减重15%～20%。因此，苏-27 飞机的主起落架扭力臂和前起落架左右支架、伊尔-76 的起落架和机身部件材料均使用TC18 钛合金，此外，该合金还用于制造襟翼导轨和其他大型承力构件[2]。

激光熔化沉积（LMD）制造技术是一种基于材料添加的快速凝固“近净成形”制造技术，利用激光熔化沉积技术制造钛合金构件具有快速、无须模具、材料利用率高、机械加工量小等优点[3]，为大型整体复杂钛合金构件的制造提供了一条成本低、周期短的新途径。

在激光增材制造构件工程制造和使用过程中，可能遇到由变形、机械加工掉刀等造成的零件毛坯局部缺量或者产品使用过程中意外造成的局部损伤，焊接作为一种成本低、工艺操作灵活的修复方法可实现零件的修复或再制造，TC18钛合金可以用氩弧焊、电子束焊和等离子焊等多种方式进行焊接[4]。目前，对于传统成形钛合金的焊接特性研究已较为成熟，如国内航空工业领域首次在某新型舰载机起落架研制中采用了TC18 钛合金焊接技术，通过试验研究某型机前起落架斜撑杆的焊接和焊后热处理工艺，形成了完整配套的TC18钛合金焊接应用技术[5]；电弧增材再制造技术是根据离散堆积原理，利用电弧作为载能束，使金属丝材加热熔化，在由缺损数据模型生成的路径规划程序驱动下，点—线—面—体累加成形，使缺损零件恢复尺寸形貌和性能的先进制造技术[6]。英国克兰菲尔德大学通过对不同4043 铝合金焊丝电弧增材成形性的对比研究，发现焊丝内、外部质量对成形性能有重要影响[7]，法国学者Branza 等[8]采用电弧熔敷方法对耐热铸钢轴类零件进行多道焊修复，并研究了其修补后的组织特点。现在国内外在多丝熔覆成形工艺研究领域都以双丝电弧熔覆成形技术为基础，发展迅猛。如华中科技大学增材制造团队用多丝电弧增材方法制造出大型多向建筑结构接头与高强钢大型筒体构件，达到较高的研究水平[9]，而激光快速成形钛合金零件焊接及修复性能的相关研究还相对较少[10]，国内如侯慧鹏等[11]研究了氩弧焊修复激光成形TC11钛合金的组织及高周疲劳性能。

根据激光增材制造构件成形阶段的不同，对构件的修复可分为热处理前修复和热处理后修复。热处理之后的修复，由于修复区不再进行热处理，因此修复区与基材材料热处理状态不同，加之修复带来的热影响和热应力，均可能导致其力学性能发生变化，理论上修复量受到限制，只能进行适量修复。热处理前修复则可保证修复区材料和热处理工艺与增材制造母材的一致性，适用于激光增材制造过程中的零件修复。

本文针对激光增材制造TC18 钛合金零件制造过程中的制造缺陷，采用氩弧焊修复工艺，研究氩弧焊修复量对激光增材制造TC18钛合金组织和静力、冲击性能和断裂韧度等综合力学性能的影响，为氩弧焊修复激光增材制造TC18钛合金工程应用提供参考和依据。

1 试验材料与方法

本文主要研究30%和50%修复量对激光增材制造TC18钛合金主要力学性能的影响。其中，修复量指修复后采取的力学性能试件的工作部分截面修复区面积Ar和基材面积At之占比，如图1 所示。力学性能测试包括室温拉伸性能、断裂韧度和轴向加载疲劳性能。激光增材制造基体为去应力退火态，待修复区表面按照激光成形基材工艺处理。修复前后试验件如图2所示。

图1 激光增材制造试件修复区及取样示意图Fig.1 Repair area and sampling diagram of laser-formed TC18 Titanium alloy test parts

图2 激光增材制造TC18钛合金氩弧焊修复前后实物照片Fig.2 Photos of laser-formed TC18 Titanium alloy test parts before and after TIG welding repairing

室温拉伸和室温冲击分别按照GB/T 228.1 和GB/T 229进行，室温拉伸采用圆形棒状试件，室温冲击采用U 形冲击样，试件取样部位如图3所示。室温断裂韧度按照国标GB/T 4161进行，试样分为两组，取样示意图如图4所示，一组预制裂纹在修复区（A组），另一组预制裂纹在修复区与基材的过渡区（B组），如图5所示，以考察修复不同区域的抵抗裂纹扩展的阻力。采用未经修复的激光增材制造TC18钛合金基材的试验件作为力学性能对比试验件。

图3 室温拉伸、冲击取样示意图（单位：mm）Fig.3 Diagram of room temperature tensile and impact sampling(Unit:mm)

图4 室温断裂韧度试样取样示意图（单位：mm）Fig.4 Diagram of specimen sampling for room temperature fracture toughness(Unit:mm)

图5 激光增材制造钛合金断裂韧度试样Fig.5 Fracture toughness samples of TC18 Titanium alloy test parts

2 试验结果与分析

2.1 宏、微观组织

激光成形TC18 钛合金氩弧焊修复区截面宏观和显微组织照片分别如图6 和图7 所示，由此可见：（1）对比修复量为30%和50%，二者修复区深度与设计深度符合较好。二者组织特征并无明显差别，主要差别为修复区深度不同。（2）修复区组织中β晶粒较粗大、晶界α明显，并且修复区晶粒为垂直于基材沉积方向生长的较粗柱状晶，较激光成形TC18 钛合金基材晶粒明显粗大。修复区向基材组织过渡的宏观组织照片如图6所示，修复区β晶粒较粗大，接近熔合区的下方为晶粒较细的热影响过渡区，最终过渡到晶粒尺寸较均匀的基材区；显微组织如图7所示，除过渡区α形状和尺寸不同以外，修复区与基材差别并不明显，其中修复区α相为短棒状，而基材和过渡区α 相为松针状、长宽比更高。激光成形TC18钛合金氩弧焊修复光学显微镜和扫描电镜组织照片如图8、图9所示。

图6 激光成形TC18钛合金氩弧焊修复区截面宏观30%修复量组织照片Fig.6 Macro tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding 30%repaired

图7 激光成形TC18钛合金氩弧焊修复区截面宏观50%修复量组织照片Fig.7 Macro tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding 50%repaired

图8 激光成形TC18钛合金氩弧焊修复光学显微镜照片(修复量30%)Fig.8 Optical microscope tissue image of laser-formed TC18 Titanium alloy test piece by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

图9 激光成形TC18钛合金氩弧焊修复扫描电镜组织照片(修复量为30%)Fig.9 Canning electron microscope tissue image of laserformed TC18 Titanium alloy test parts by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

2.2 拉伸性能

激光增材制造TC18 钛合金氩弧焊修复件与锻件对比件室温拉伸性能测试均值结果见表1，由表1可知：（1）与基材相比，激光增材制造TC18 钛合金手工修复30%和50%时，室温抗拉强度几乎无变化（平均值差值不足10MPa），屈服强度略有提高（20～30MPa）；塑性指标降低明显，断后延伸率和断面收缩率分别降低47%～54%和36%～42%。（2）修复量从30%加大至50%时，室温拉伸强度无明显差别，修复区较基材塑性低，从而导致修复后塑性下降，随着修复量增大，塑性也呈现一定程度的下降。

表1 TC18钛合金氩弧焊修复拉伸性能测试（均值）Table 1 Tensile performance test of TC18 Titanium alloy by TIG welding repairing（mean value）

激光增材制造TC18 钛合金氩弧焊修复件室温拉伸试验件断口如图10所示。拉伸断口中修复区断面平整、无明显剪切唇，而基材区纤维区面积占比较大且存在明显塑性特征的剪切唇，因此相比于基材区，其断口呈现低塑性特征。结合拉伸试验测试结果表明：修复区较基材塑性低，从而导致修复后塑性下降，随着修复量增大，塑性也呈现一定程度的下降。

图10 激光增材制造TC18钛合金氩弧焊修复件室温拉伸试验件断口(修复量30%)Fig.10 Fracture of room temperature tensile test piece of laser-formed TC18 Titanium alloy by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

2.3 室温冲击性能

激光成形TC18 钛合金氩弧焊修复件及基材参比件室温冲击韧性对比测试结果见表2，可知：（1）与基材相比，激光成形TC18 钛合金手工氩弧焊修复30%和50%时，修复试样室温冲击韧性无明显降低，其中50%修复后数据较分散，但平均值几乎无变化。（2）修复量从30%加大至50%时，室温冲击韧性略降，平均值降低约7%。

表2 手工氩弧焊修复量对激光成形TC18钛合金室温冲击韧性的影响Table 2 Effect of repair quantity of TIG welding on impact toughness of TC18 Titanium alloy by laser forming at room temperature

激光成形TC18 钛合金氩弧焊修复件室温冲击试验件断口如图11 所示，冲击断口中修复区呈现沿柱晶解理特征，而基材区断面起伏较大，呈现韧性特征，与基材相比，修复区表现出低塑性特征。

图11 氩弧焊修复激光成形TC18钛合金室温冲击试验件断口(修复量30%)Fig.11 Fracture of room temperature shock test piece of laser-formed TC18 Titanium alloy by TIG welding repairing(amount repaired is 30%)

结合拉伸和冲击试验测试结果及断口特种可以推断：修复区较基材塑性低；由于冲击韧性还与强度相关，因此室温冲击韧性测试结果并未出现明显下降。

2.4 室温断裂韧性

激光增材制造TC18 钛合金氩弧焊修复件及基材室温断裂韧性对比测试结果见表3，可知：（1）裂纹预制在修复区（A组）和过渡区（B组）的断裂韧性平均值相当；（2）修复件的室温断裂韧度KIC平均值与基材相当。从数据的分布范围来看，修复件KIC数据分布范围略宽于基材。

表3 TC18钛合金氩弧焊修复室温断裂韧性性能测试结果对比表Table 3 Comparison of test results of room temperature fracture toughness of TC18 Titanium alloy by TIG welding

图12为氩弧焊修复激光增材制造TC18钛合金室温断裂韧度试样宏观断口照片。从修复件的断口宏观照片可见修复区内解理面呈柱状特征，而基材区和对比测试的基材试样无明显柱状解理特征。由此可见，晶粒尺寸和特征对断口的形貌有明显的影响。

图12 手工氩弧焊修复激光增材制造TC18钛合金室温断裂韧度试样宏观断口Fig.12 Repairing the macro fracture of TC18 Titanium alloy by TIG welding at room temperature

从组织对断裂韧性的影响角度考虑，一般认为较粗大组织具有较高的断裂韧度。修复区和过渡区与基材组织的主要差别在于：修复区晶粒粗大且呈柱状，过渡区宏观和显微组织均为修复区向基材的过渡。因此，从宏观晶粒尺度角度判断，修复对断裂韧度无不良影响。同时，修复区、过渡区和基材差别并不显著。综合考虑，修复件断裂韧度并未明显降低是可以预见的。