引言

TC4鈦合金是一種常見的α+β雙相鈦合金，具有比強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐腐蝕性優(yōu)異及低密度等優(yōu)勢，在航空航天尤其是飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)上得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。焊接作為一種可靠的連接方式，滿足了我國航空制造對于構(gòu)件輕量化、整體化制造的需求。真空電子束焊接具有能量密度高、焊縫深寬比大、焊接變形小等特點(diǎn)，非常適合無磁性、焊接性能優(yōu)良的TC4鈦合金的焊接加工。鈦合金的真空電子束焊技術(shù)已應(yīng)用于F14戰(zhàn)斗機(jī)、F22戰(zhàn)斗機(jī)、波音787等飛機(jī)構(gòu)件的整體化制造，F(xiàn)22戰(zhàn)機(jī)焊縫總長3000in［5-8］。

TC4真空電子束焊后采用熱處理方法進(jìn)行組織調(diào)控，研究人員針對熱處理對接頭性能的影響開展了研究，主要集中在強(qiáng)化熱處理方法。韓鵬［9］等人研究了兩種焊前強(qiáng)化熱處理對70mm厚TC4-DT鈦合金電子束焊接接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，雙重退火制度下接頭的沖擊強(qiáng)度與母材相當(dāng)。陳瑋［10］等人研究了Ti-22Al-24Nb-0.5Mo合金電子束焊接接頭焊熱處理后的性能，固溶+時(shí)效熱處理更有利于高溫持久壽命。王世清［11］等人研究了不同熱處理工藝對10mm厚的異種鈦合金TC4/Ti60電子束焊接接頭組織和性能的影響，固溶時(shí)效后，組織更加均勻，塑性增強(qiáng)。

目前對于TC4鈦合金電子束焊接接頭消除應(yīng)力退火的研究相對較少。本文采用真空電子束對30mm厚TC4鈦合金進(jìn)行對接焊，焊后采用兩種消除應(yīng)力熱處理，研究兩種熱處理對接頭組織和性能的影響，為實(shí)際構(gòu)件生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1、工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為TC4鈦合金板材，規(guī)格300mm×100mm×30mm，其化學(xué)成分見表１。焊縫沿長度方向，焊縫背面設(shè)置尺寸為300mm×15mm×15mm的墊條，采用單面一次穿透焊接。電子束焊接工藝參數(shù)見表2，焊后熱處理制度見表3。

2、試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1顯微組織分析

焊接接頭宏觀橫截面及取樣方式如圖１所示。

將焊接接頭截面分為上、中、下3層，接頭微觀形貌如圖２所示。同時(shí)，對上、中、下３層試件分別截取試樣，經(jīng)打磨、拋光、腐蝕制成金相樣品，在光學(xué)顯微鏡下各區(qū)域微觀組織。去應(yīng)力退火和完全退火狀態(tài)下的電子束焊接接頭微觀組織見圖3、圖4，其中-1、-2、-3分別代表第一層、第二層和第三層。焊接接頭BM區(qū)主要為等軸α相+板條狀α相與晶間β相組成的雙相組織，HAZ區(qū)由初生α相、針狀馬氏體α′相以及板條狀α相+β相的雙相組織組成，WM區(qū)主要由大量的針狀馬氏體α′相和少量分布在原始β晶界的α相組成。焊接過程中熔合區(qū)溫度最高，超過了β相相變溫度，發(fā)生α→β轉(zhuǎn)變，焊接結(jié)束后冷卻速度快，形成馬氏體α′相，距離熔合線越遠(yuǎn)，焊接時(shí)溫度越低，這種相變越不徹底。由母材逐漸靠近熔合線，等軸α相逐漸發(fā)生相變，晶界逐漸模糊，直至形成粗大的β相，冷卻時(shí)在β晶界內(nèi)形成針狀馬氏體α′相，β晶界處α相析出。在HAZ區(qū)，焊后冷卻速度相對較慢，β相內(nèi)形成片狀次生α相。

由圖3、圖4可以看出，沿焊縫深度方向，每一層BM區(qū)、HAZ、WM區(qū)的組織基本一致，試板沿厚度方向的組織差異性很小。對比兩種熱處理狀態(tài)。在BM區(qū)，去應(yīng)力退火狀態(tài)下組織中的雙相組織（板條狀α相+晶間β相）的數(shù)量較完全退火狀態(tài)下組織中的多，完全退火狀態(tài)下等軸α相晶粒更大，體積占比更大。在HAZ，去應(yīng)力退火狀態(tài)下的初生α相晶界模糊，完全退火狀態(tài)下的組織更接近于BM區(qū)。在WM區(qū)，去應(yīng)力退火狀態(tài)下β相晶界比較明顯，整體更接近于魏氏體組織，完全退火狀態(tài)下，針狀馬氏體α′相排列更加規(guī)律，數(shù)量更多，長寬比更小。

兩種熱處理溫度都在等軸α相向β相的轉(zhuǎn)變點(diǎn)之下，BM區(qū)均是典型的雙相組織。完全退火溫度更高，更有利于α相的生長，α相球化程度更高，BM區(qū)等軸α相晶粒更加粗大，HAZ區(qū)更接近BM區(qū)組織，WM區(qū)馬氏體α′相數(shù)量增多，長寬比更小。

2.2拉伸試驗(yàn)結(jié)果分析

TC4電子束焊接接頭分2層進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，每層3個(gè)試樣。拉伸試驗(yàn)按GB/T2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，拉伸試驗(yàn)尺寸如圖5所示。兩種熱處理狀態(tài)下的電子束焊接接頭室溫拉伸結(jié)果如圖6、圖7所示，試樣均斷裂于母材區(qū)，為韌性斷裂。去應(yīng)力退火狀態(tài)下，母材的抗拉強(qiáng)度平均值為935.81MPa，接頭第一層和第二層的平均抗拉強(qiáng)度分別為944.73MPa、935.81MPa，平均屈服強(qiáng)度分別為890.67MPa和883.86MPa，強(qiáng)度達(dá)到母材的100%。完全退火狀態(tài)下，第一層和第二層的平均抗拉強(qiáng)度分別為953.64MPa、953.63MPa，平均屈服強(qiáng)度為916.25MPa、914.45MPa，強(qiáng)度高于母材。

對比兩種熱處理狀態(tài)，完全退火狀態(tài)下接頭的平均拉伸強(qiáng)度明顯高于去應(yīng)力退火狀態(tài)下接頭的平均拉伸強(qiáng)度。結(jié)合顯微組織分析，可能原因是去應(yīng)力退火狀態(tài)下接頭中BM區(qū)的雙相組織數(shù)量較多，各相排列比較彌散，抗拉能力相對較弱。

2.3沖擊結(jié)果分析

TC4電子束焊接接頭分2層進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，每層2個(gè)區(qū)域（HAZ和WM），每個(gè)區(qū)域3個(gè)試樣。沖擊試驗(yàn)按GB/T2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，從焊接接頭垂直于焊縫軸線方向截取，沖擊試樣尺寸示意如圖8所示。

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示，試樣均為韌性斷裂。去應(yīng)力退火態(tài)母材的平均沖擊功為34.59J。去應(yīng)力退火狀態(tài)下，接頭WM區(qū)第一層沖擊功為40.8J，第二層沖擊功較低（34.5J），為母材的99.7%。熱影響區(qū)第一層沖擊功為36.5J，為母材的105.4%，第二層沖擊功為36.3J。完全退火狀態(tài)下接頭WM區(qū)第一層沖擊功為31.8J，第二層沖擊功為26.4J，為母材沖擊功的76.3%，HAZ區(qū)第一層沖擊功為36.0J，第二層沖擊功為32.3J，為母材的93.4%。對比兩種熱處理狀態(tài)，完全退火狀態(tài)下的接頭沖擊功相比去應(yīng)力退火狀態(tài)更小，韌性更差。WM區(qū)的沖擊功差別更加明顯，HAZ區(qū)差距較小。結(jié)合顯微組織分析，在WM區(qū)，與去應(yīng)力退火態(tài)相比，完全退火接頭中的針狀馬氏體α′相更多，組織更加均勻，馬氏體α′相為脆性組織，隨著其數(shù)量增多，長度變短，排列規(guī)則化，抗沖擊性能下降。在HAZ區(qū)，兩種熱處理狀態(tài)下接頭的組織組織一致，馬氏體α′相都較少，完全退火狀態(tài)下組織更加均勻，等軸α相晶界更明顯，抗沖擊性能較弱，但差別不明顯。

3、結(jié)論

針對30mm厚TC4鈦合金電子束焊接接頭，研究了在不同焊后退火熱處理制度下接頭的組織和力學(xué)性能。

（1）兩種熱處理狀態(tài)下，接頭BM區(qū)均是典型的等軸α相和板條狀（α+β）相的雙相組織。完全退火溫度更高（750℃），α相球化程度更高，BM區(qū)等軸α相晶粒更加粗大，HAZ區(qū)更接近BM區(qū)組織，WM區(qū)馬氏體α′相數(shù)量增多，長寬比更小。

（2）750℃×2h完全退火狀態(tài)下接頭的平均拉伸強(qiáng)度明顯高于去應(yīng)力退火狀態(tài)下（600℃×4h）接頭的平均拉伸強(qiáng)度。可能原因是去應(yīng)力退火狀態(tài)下接頭中BM區(qū)板條狀（α+β）相數(shù)量較多，排列比較彌散，抗拉能力相對較弱。

（3）完全退火狀態(tài)下接頭的沖擊功相比去應(yīng)力退火狀態(tài)更小，韌性更差。完全退火狀態(tài)下接頭中針狀馬氏體α′相更多，組織更加均勻，抗沖擊性能更差。

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