TC17钛合金激光焊接接头微观组织和力学性能

张群兵 东拓 谭猛猛 门浩翔 张建勋

摘要： 文中对TC17钛合金进行了激光焊接，对接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度和拉伸性能进行了研究。结果表明，TC17母材的微观组织为β相+等轴初生αp相，β相内存在大量次生αs相；热影响区微观组织变化较为复杂，随着离焊缝距离的减小，αp逐渐减少，β逐渐增多，αs先消失、再产生、然后再次消失；焊缝由β相柱状晶组成，柱状晶内部是细长的枝晶，在焊缝的中下部存在较多气孔；从母材到焊缝，硬度总体呈下降趋势；受αs含量变化的影响，随着离焊缝距离的减小，热影响区显微硬度先降低、再升高、然后再次降低；由于焊缝硬度最低且存在气孔缺陷，接头拉伸断裂在焊缝。

关键词： 激光焊；微观组织；力学性能；TC17钛合金

中图分类号： TG 456.7

Microstructure and Mechanical Properties of TC17 Titanium Alloy Laser Welded Joint

Zhang Qunbing1， Dong Tuo1， Tan Mengmeng1， Men Haoxiang1， Zhang Jianxun2

（1. Xian Aeronautical Institute， Xian， 710077， China; 2. State key laboratory for mechanical behavior of materials， Xian Jiaotong University， Xian， 710049， China）

Abstract： In this paper， the laser welding of TC17 titanium alloy was carried out， and the macroscopic morphology， microstructure， microhardness and tensile properties of the joint were studied. The results show that TC17 titanium alloy base material is composed of β phase and equiaxed αp phase， and there is a lot of acicular secondary αs phase in β phase. The microstructure of heataffected zone is complicated. With the decrease of distance from the weld zone， αp gradually decreases， β gradually increases， αs first disappears， then occurs， and finally disappears again. The microstructure of weld zone is mainly composed of columnar dendrites， and the porosity defects were mainly concentrated in the middle and lower part of the weld zone. From the base metal to the weld zone， hardness generally decreased. Affected by the αs phase， the microhardness of the heataffected zone decreases first， then increases and then decreases. Due to the lowest hardness and porosity defects of weld zone， the tensile fracture of TC17 titanium alloy laser welded joint was in the weld zone.

基金項目： 陕西省自然科学基础研究计划项目（2019JQ-915）

Key words：  laser welding; microstructure; mechanical property; TC17 titanium alloy

0前言

钛合金具有比强度高、力学性能好、耐腐蚀性强等优点，已广泛应用于航空领域。TC17是α＋β双相钛合金，具有强度高、韧性好、淬透性高、疲劳蠕变性能好等优点，广泛应用于航空发动机风扇、整体叶盘、鼓筒等部件［1-2］。为进一步减轻飞行器重量，越来越多的材料采用焊接的方式连接［3-4］。

目前，有关TC17的焊接主要集中在电子束焊、TIG焊，以及TC17与异种金属的线性摩擦焊［5-7］。Liu等人［8］对TC17进行了电子束焊接，发现焊缝由等轴和柱状β晶粒组成，热影响区由β晶粒和伪α相组成。于冰冰等人［9］研究了热处理温度对TC17电子束焊接接头微观组织的影响，发现在630～800 ℃范围焊后热处理，焊缝和热影响区的亚稳态β相分解，生成α相和β相，随着热处理温度的升高，焊缝和热影响区的α相板条宽度增加。Liu等人［10］对TC17电子束焊接接头焊缝的高周、超高周疲劳性能进行了研究，发现在高周疲劳状态下疲劳裂纹萌生的主要原因是β晶粒的滑移变形导致在β晶界开裂产生裂纹，超高周疲劳状态下裂纹萌生的主要原因是气孔。金俊龙等人［11-13］对比研究TC17电子束焊和TIG焊，发现TIG焊缝较宽、热影响区晶粒粗化，接头塑性和延伸率均低于电子束焊。

电子束焊接有很多优势，但是真空室的使用限制了构件的最大尺寸，同时降低了生产效率以及柔性加工能力。与电子束焊相比，激光焊同属高能束焊接技术，具有能量密度高、热影响区窄、焊接速度快、残余应力小等优点［14-15］。同时，激光焊无需真空条件、柔性加工能力强、易于实现自动化，已经成为近年快速发展的高效焊接方法之一。文中采用激光焊接技术对TC17进行焊接，对TC17激光焊接接头的微观组织及力学性能进行探究。其研究结果可为TC17焊接接头微观组织的调控与应用提供有意义的参考。

1试验材料及方法

试验用母材为TC17钛合金锻件，化学成分如表1所示。首先将TC17锻件切割成厚度为5 mm的板材，然后使用氢氟酸：硝酸：水=4：6：90（体积比）的清洗剂将试样表面洗净吹干。最后使用YLS-4000 型光纤激光器+YASKAWA机器人进行自动化焊接，焊接参数为：激光功率3.5 kW，焊接速度80 mm/ min，离焦量0 mm，保护气体为高纯氩气。

焊接试验完成后，按照ISO 4136：2022《金属材料焊缝的破坏性试验 横向拉伸试验》加工成拉伸试样；采用UTM5305型电子万能试验机进行拉伸试验；采用TMVS-1型显微维氏硬度计进行显微硬度测试；分别采用HIROX-200型超景深光学显微镜、JSM-6510A型扫描电子显微镜、JEM200CX形透射电子显微镜对接头宏观形貌、微观组织和断口形貌进行分析。

2结果与讨论

2.1接头宏观形貌

TC17激光焊接接头宏观形貌如图1所示。可以看出母材色泽较暗、热影响区和焊缝色泽较明亮；焊缝上部和下部较宽、中间较窄，整体形貌呈“X”形；焊缝的中下部存在气孔。

造成母材、热影响区和焊缝宏观色泽差异的主要原因是，母材、热影响区和焊缝的微观组织存在差异，耐腐蚀性能不同，在文中所用的金相腐蚀液（HF：HNO3：H2O=5：15：80（体积比））中，母材容易被腐蚀，焊缝较难被腐蚀，为观察焊缝形貌，腐蚀时间较长（3  min），因此母材被腐蚀程度较为严重，导致其宏观色泽较暗。同时TC17激光焊接接头的微观组织，如图2所示，从图中可以看出母材晶粒尺寸较小（约4 μm）、焊缝晶粒尺寸较大（约360 μm），导致母材的宏观色泽更加暗淡。

如图3所示造成焊缝X形形貌以及气孔的主要原因是激光焊接过程中，会产生金属蒸汽，当焊件被激光穿透时，金属蒸汽体沿着匙孔从熔池的上部和下部同时向外喷出，带动液态金属在熔池的上部和下部分别形成Marangoni涡流，导致熔池上部和下部的宽度大于中间，从而形成X形焊缝［16-17］。在焊后冷却过程中，熔池上部的液态金属受到重力作用向下流动，将X形熔池中间狭窄的通道封闭，阻碍了熔池下部气体的向上逃逸；又由于激光焊接速度快、熔池冷却速度快，导致熔池下部的气体被凝固在焊缝中，从而在焊缝的中下部形成了气孔。

2.2接头微观组织

图2是TC17激光焊接接头的微观组织。图2上部是接头不同区域组织观察对应位置的示意图。根据离焊缝距离的大小，将热影响区的四个区域由远到近四个区域分别命名为远热影响区、次远热影响区、次近热影响区、近热影响区，如图2（a）所示。

如图2（b）所示，TC17母材由β相+等轴αp相组成，平均晶粒尺寸约4 μm，β相内存在大量次生αs相；远热影响区离焊缝最远、受热最少，平均晶粒尺寸和母材基本相同，但是原先母材中的αs相大部分转变为β相，然而由于在相变以上温度保持时间较短，αs相并未全部转变为β相，如图2（c）所示；次远热影响区离焊缝距离较近、受热量增加，平均晶粒尺寸增大至约5 μm，与此同时，由于在相变点以上保温时间延长，αs相全部转变为β相，如图2（d）所示；次近热影响区离焊缝距离更近，受热量进一步增加，αs相全部转变为β相，αp相大部分转变为β相，平均晶粒尺寸增大至约6 μm，但是由于该区域高温持续时间仍然不够长，α稳定元素扩散不够充分，导致β相某些區域的α相稳定元素含量较高，在焊后快速冷却过程中，产生了αs相，如图2（e）所示；近热影响区离焊缝最近，受热量最多，αs相全部转变为β相，αp相基本全部转变为β相，平均晶粒尺寸增大至约10 μm，由于该区域高温持续时间较长，α相稳定元素扩散较为充分，在焊后冷却过程中，没有产生αs相，如图2（f）所示；如图2（g）所示，焊缝主要由β相柱状晶组成，平均晶粒尺寸约为360 μm，柱状晶内部为条状枝晶。TC17富含Mo等β相稳定元素，当冷却速度小于0.5  ℃/s时可获得全部α+β的片层组织；冷却速度在0.5～3.5  ℃/s之间时，可生成部分α+β片层组织；冷却速度大于3.5 ℃/s时，不能生成α相。由于激光焊接能量密度高、焊接速度快，焊后冷却速度远大于3.5  ℃/s，因此焊缝的组织为β相。与此同时，较快的冷却速度在焊缝内形成了较大的温度梯度，因此沿着散热方向形成了柱状晶。从晶粒尺寸的角度来看：母材≈远热影响区＜次远热影响区＜次近热影响区＜近热影响区＜焊缝。

图4和图5是母材和焊缝的透射电镜组织。可以看出，母材主要由β相、αp相、次生αs相组成，β相内有大量次生αs相；焊缝的β相柱状晶内部是条状枝晶。

2.3接头显微硬度

TC17激光焊接接头显微硬度如图6所示，TC17激光焊接接头从母材到焊缝的显微硬度整体呈下降趋势。由图2和图4微观组织分析已知，母材是β+α双相组织，β相内含有大量次生αs相。经历焊接热循环后，热影响区晶粒长大，αs相先消失、再产生、然后再次消失。焊缝的微观组织是粗大的β相柱状晶，晶内没有αp相以及αs相。β相晶体结构是体心立方，较为容易变形，α相是密排六方结构，稳定性较好。从母材到焊缝，α相逐渐减少，β相逐渐增多，并且平均晶粒尺寸逐渐增大，在微观组织和晶粒尺寸等因素的共同影响下，从母材到焊缝显微硬度逐渐下降。与次远热影响区相比，次近热影响区产生了αs相，因此硬度略有回升。 2.4接头拉伸性能

图6为焊接接头拉伸试验结果，从图中可以看出试样拉伸断裂在焊缝。由图6（a）可以看出断面零散分布有焊接气孔，图6（b）表明断口边缘为解理状断面，图6（c）表明断口表面形貌为韧窝+气孔。由前文焊接接头各区域的微观组织和显微硬度可以看出，焊缝微观组织为尺寸较大的柱状β晶粒，硬度最低；与此同时，焊缝中存在气孔缺陷，在一定程度上降低了焊缝的强度，从而导致接头拉伸断裂在焊缝。

3结论

（1）TC17钛合金激光焊接接头各区域的微观组织存在较大差异：母材为β相+等轴αp相，β相内存在大量次生αs相；相较于母材，热影响区αp和αs相减少、β相增多、平均晶粒尺寸增大；焊缝为粗大的β相柱状晶。

（2）热影响区组织变化较为复杂，随着离焊缝距离的减小，β相内的αs相先消失、再产生、然后再次消失。这种变化导致随着离焊缝距离的减小，热影响区显微硬度先降低、再升高、然后再次降低。

（3）焊缝的粗大β相柱状晶组织以及气孔缺陷，导致其硬度和强度最低，接头拉伸断裂在焊缝。

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收稿日期： 2023-11-23

张群兵简介： 博士，讲师；研究方向为金属材料焊接与增材制造、缺陷修复与再制造;qunbing_zhang@126.com

通信作者： 张建勋，博士，教授，博士生导师；研究方向为金属材料焊接与增材制造、缺陷修复与再制造;jxzhang@mail.xjtu.edu.cn。