30 mm 厚TC4 钛合金电子束焊接头的高周疲劳与裂纹扩展速率

2024-02-04贾金龙龙健张林杰

焊接 2024年1期

贾金龙，龙健，张林杰

（1.兰州工业学院，兰州 730050；2.西安交通大学，金属材料强度国家重点实验室，西安 710049）

0 前言

钛及其合金因其具有密度小、比强度高、刚度大、耐蚀性好、高温性能好、可加工性能好等一系列优点，是钢、铝之后的第3 种结构材料，在航空航天、航海、石油化工、国防装备等领域得到了广泛的应用[1−3]。TC4 钛合金是由hcp-α 和bcc-β 两相构成的钛合金，也叫做Ti-6Al-4V，其中Al 是提高α 相稳定性的元素，V 是提高β 相稳定性的元素。TC4 在航空工业中主要用于制造发动机风扇、飞机重要承力构件等，在航海中主要用于制造深海载人下潜器的耐压壳体[4−7]。

焊接技术由于其在构件轻量化、密封性好、接头质量高等方面的优势而在钛合金加工方面应用很广泛，但是钛合金由于熔点高、导热性差、比热容大，使其在焊接时高温区宽，焊缝及热影响区极易过热而导致晶粒粗化和长大，且钛在高温下活性强，易吸收氢、氧、氮等元素而产生气孔、接头脆化等缺陷，甚至导致冷裂纹的产生。因此钛合金焊接需要一种线能量集中、保护效果好的焊接方法，真空电子束焊由于其能量高，且在真空中焊接，因此，焊缝深宽比大、热影响区窄，焊接质量好，可以解决钛合金焊接中的问题，尤其适合于大厚板钛合金焊接[8−10]。

有研究表明，在实际工程结构件中，有80%～90%的失效都是疲劳破坏，而航空结构件在服役过程中由于各种气动、机械原因诱发的振动应力，使其承受疲劳载荷[11−14]。疲劳失效已经成为影响现代航空装备安全性、耐久性的主要问题，还可导致维修费用大幅增加，是航空装备结构完整性设计中需要重点解决的问题之一。

文中对比了30 mm 厚TC4 钛合金电子束焊接头和母材的高周疲劳性能，并观察了接头的疲劳断裂位置，分析了母材和接头的疲劳断口。同时，分区域研究了接头母材、热影响区和焊缝区的疲劳裂纹扩展速率。试验结果将为中厚板TC4 钛合金真空电子束焊接技术的应用提供数据支撑。

1 试验及方法

1.1 试验材料及电子束焊接工艺参数

文中使用的材料是TC4 钛合金，材料的化学成分信息见表1。表2 是文中电子束焊接头所使用的焊接工艺参数。

表1 TC4 合金的化学成分（质量分数，%）

表2 电子束焊接工艺参数

图1 是电子束焊接头的焊缝横截面形貌，试板厚度为30 mm，为防止焊穿，下面加了16 mm 厚的垫板。靠近试板上表面的焊缝区较宽，最宽达到了8 mm，试板中间焊缝区宽度较为稳定，约为4 mm。与焊缝区较为相似，接头靠近上表面的热影响区宽度较大，最高达到了5 mm，试板中间位置的热影响区宽度约为3 mm。

图1 电子束焊接头的焊缝横截面

1.2 接头显微组织

接头的显微组织观察依次在3 个区域展开，分别为母材区（BM）、热影响区（HAZ）和焊缝区（WM）。试验设备为场发射扫描电镜FEI Verios460，腐蚀剂采用Kroll 试剂，试剂配方为3%（体积分数）HF 加6%（体积分数）HNO3的水溶液，试样腐蚀时间为13～15 s。

1.3 显微硬度

在板厚15 mm 处对接头各个区域进行横向显微硬度测试，从左到右，每隔0.5 mm 测试一个点，依次穿过母材、热影响区、焊缝区、热影响区、直至右侧母材，试验设备选择HXD-1000TMC/LCD 显微硬度计。试验力为1.961 N（200 g），载荷保持时间为15 s。

1.4 高周疲劳性能

高周疲劳试验参照《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》（GB/T 3075—2008）进行。试验设备为INSTRON-1341 电液伺服材料试验机。应力值在300～700 MPa 范围内，加载方式为轴向加载，最小应力与最大应力比为0.1，载荷频率为20 Hz，载荷波形为正弦波。

疲劳试样尺寸为棒状，试样长度120 mm，夹持直径12 mm，试样直径6 mm，平行段长度30 mm。母材疲劳试验试样尺寸如图2 所示，其平行段全部由TC4母材组成。焊接接头疲劳试验试样尺寸如图3 所示，平行段包含了BM，HAZ 和WM 3 个区域，其中焊缝区在试样中心处。

图2 母材疲劳试验试样尺寸

图3 电子束焊接接头疲劳试验试样尺寸

1.5 疲劳裂纹扩展速率

室温、大气环境下的疲劳裂纹扩展速率试验按照《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》（GB/T 6398—2017）进行。试验设备为电液伺服材料试验机INSTRON-1341。轴向加载对称正弦波，应力比同样为0.1，载荷频率为20 Hz。

结合标准及试样服役情况综合考虑，确定试样类型为紧凑拉伸试样（CT 试样），CT 试样取样位置如图4 所示，分别使初始预制裂纹位于尺寸为BM，HAZ 和WM 区域。CT 试样尺寸如图5 所示，试样大小为62 mm×60 mm×8 mm，初始裂纹长度为12.5 mm，宽度为1.5 mm。

图4 紧凑拉伸试样取样示意图

图5 紧凑拉伸试样尺寸示意图

1.6 疲劳断口形貌

疲劳裂纹扩展速率试验完成后，为观察断口形貌，寻找裂纹源位置，需要利用超声波清洗断口，清洗溶剂为乙醇，时间不低于30 min。断口观察设备为SU3500扫描电镜。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图6 是电子束焊接头母材、热影响区和焊缝区在高分辨电镜下的组织形貌。图中母材的显微组织是由等轴α 相和分布在α 相晶界的β 相组成。受焊接过程中热循环的影响，母材中等轴α 相的边缘开始溶解，向细小的片状α′相转变。热影响区作为母材向焊缝区过渡的中间区域，其内部组织既有还未发生转变的等轴α 相，也有已经转变完成的片状α′相。2 种接头的显微组织差异在焊缝区。电子束焊接头焊缝区存在大量相互加错的针状α′相，文献[15−19]指出：针状α′相作为钛合金中的强化相，当材料发生变形时，这些细小的针状α′相会对位错的运动产生阻碍作用，从而使材料强化。

图6 电子束焊接头各区域的显微组织形貌

2.2 显微硬度

图7 是接头各区域的显微硬度值。由图可知：电子束焊接头焊缝区的显微硬度略高于母材。母材区的平均硬度值为316 HV 左右，热影响区值约为322 HV，电子束焊接头焊缝区的平均显微硬度值为330 HV。熔合线附近的硬度要高于焊缝区和母材区。

图7 接头各区域的显微硬度

2.3 母材和接头的高周疲劳性能

图8 是钛合金母材和电子束焊接头的峰值应力与疲劳寿命的关系曲线。其中带箭头的数据点表示2×106循环之后未失效的情况，也称作溢出点。由图可知：30 mm 钛合金电子焊接头的高周疲劳性能要弱于母材。

图8 钛合金母材、电子束焊接头的高周疲劳S-N 曲线

采用Basquin 方程对接头高周疲劳试验数据进行拟合，为

式中：Smax为最大应力；A是疲劳强度系数；Nf为失效循环周次；b为疲劳强度指数。获得具有应力疲劳强度的拟合公式，为

式（2）为30 mm 厚度TC4 钛合金母材最大应力与循环周次的表达式。从图中的试验数据点和拟合曲线可以看出，室温条件下的应力疲劳强度为503 MPa。式（3）为30 mm 厚度TC4 钛合金电子束焊接头最大应力与循环周次的表达式。从图中的试验数据点和拟合曲线可以看出，室温条件下的应力疲劳强度为474 MPa。电子束焊接头的疲劳强度可以达到母材的94.2%。

表3 为30 mm 钛合金电子束焊接头母材和接头的高周疲劳性能参数。疲劳寿命主要是由疲劳强度指数决定，相同载荷条件下，指数的绝对值越小，疲劳寿命值越大。由表可知：母材疲劳指数的绝对值要少于接头。

表3 TC4 电子束焊接头母材和接头的高周疲劳性能参数

2.4 母材和接头的高周疲劳断口

图9 和图10 为钛合金母材、电子束焊接头的高周疲劳断口。图9(a)和图10(a)分别是钛合金母材、电子束焊接头的宏观疲劳断口形貌。可以看到主要分为2 个区域，其中一部分较为平整，为疲劳区域，另一部分表面凹凸不平，为拉伸断裂区域。图9(b)和图10(b)分别是母材和电子束焊接头疲劳裂纹的启裂位置，启裂源位于试样表面。这是因为试样表面的缺陷处易产生应力集中，在承受拉压循环载荷时，驻留滑移带的不断挤压和侵入导致了裂纹源的形成。图片9(c)和图10(c)分别是母材、电子束焊接头疲劳裂纹的扩展区域。2 个区域都可观察到典型的疲劳辉纹。裂纹扩张的方向与疲劳辉纹的方向垂直，当应力处于最大压应力时，裂纹前端闭合锐化。随着应力方向变化，应力状态转变为拉应力，当应力达到最大拉应力时，由于裂纹前沿应力集中，使裂纹张开向前扩展，并使裂纹钝化。随着循环应力地不断加载，裂纹又重新闭合锐化。如此重复，使裂纹不断向前推进。疲劳辉纹是每次循环载荷留下的痕迹。其中，相同载荷条件下，母材高周疲劳断口中辉纹的间距较小，约为1.49 μm，电子束焊接头的相邻辉纹间距为2.14 μm。辉纹间距约大，在一定程度上，可以反映材料抵抗疲劳裂纹扩展的能力越弱。图9(d)和图10(d)是母材和电子束焊接头最后拉伸断裂的区域，断口都呈韧窝状，说明母材和接头在断裂前都有着良好的塑性变形能力。